Цилиндрический линейный асинхронный двигатель для привода погружных плунжерных насосов. С цилиндрическим линейным асинхронным двигателем Рекомендованный список диссертаций

Главная / Масло

1. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЛИНЕЙНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

ДЛЯ ПРИВОДА ПОГРУЖНЫХ ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦЛАД.

2.1. Методики электромагнитного расчета ЦЛАД.

2.1.1. Электромагнитный расчет ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников.

2.1.2. Электромагнитный расчет ЦЛАД методом конечных элементов.

Ф 2.2. Методика расчета циклограмм работы ЦЛАД.

2.3. Методика расчета теплового состояния ЦЛАД.

3. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ИСПОЛНЕНИЙ ЦЛАД ДЛЯ ПРИВОДА ПОГРУЖНЫХ НАСОСОВ.

3.1. ЦЛАД с внутренним расположением вторичного элемента.

3.2. Обращенный ЦЛАД с подвижным индуктором.

3.3. Обращенный ЦЛАД с неподвижным индуктором.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИ

СТИК ЦЛАД.

4.1.Оценка возможностей улучшения характеристик ЦЛАД с мас-^ сивным вторичным элементом при низкочастотном питании.

4.2. Анализ влияния величины открытия паза индуктора на показатели ЦЛАД.

4.3. Исследование влияния толщины слоев комбинированного ВЭ на показатели ЦЛАД с внутренним расположением вторичного элемента.

4.4. Исследование влияния толщины слоев комбинированного ВЭ на показатели обращенного ЦЛАД с подвижным индуктором.

4.5. Исследование влияния толщины слоев комбинированного ВЭ на показатели обращенного ЦЛАД с неподвижным индуктором.

4.6. Исследование энергетических показателей ЦЛАД при работе в возвратно-поступательном режиме.

5. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ЦЛАД ДЛЯ ПРИВОДА ПОГРУЖНЫХ ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ.

5.1. Анализ и сравнение технико-экономических показателей ЦЛАД.

5.2. Сравнение теплового состояния ЦЛАД.

6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. ц

6.1 .Экспериментальные исследования ЦЛАД. НО

6.2.Создание стенда для испытания линейного электропривода на основе ЦЛАД.

6.3.Разработка опытно-промышленного образца ЦЛАД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ ПЕРЕЧЕНЬ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цилиндрические линейные асинхронные двигатели для привода погружных плунжерных насосов»

Цилиндрические линейные асинхронные двигатели (ЦЛАД), называемые иногда коаксиальными, могут составлять основу электроприводов возвратно-поступательного движения, как альтернативы приводам с механическими преобразователями вида движения (типа винт-гайка или шестерня-рейка), а также пневматическим и, в ряде случаев, гидравлическим приводам. По сравнению с указанными типами приводов линейные электроприводы с непосредственной передачей электромагнитного усилия подвижному элементу обладают лучшими регулировочными свойствами, повышенной надежностью, требуют меньших эксплуатационных затрат. Как следует из литературных источников , ЦЛАД находят применение при создании электроприводов целого ряда производственных механизмов: коммутационной аппаратуры (например, разъединителей в системах электроснабжения метрополитенов); толкателей или сбрасывателей, используемых в поточных линиях; плунжерных или поршневых насосов, компрессоров; раздвижных дверей и оконных фрамуг цехов или теплиц; различных манипуляторов; шиберов и заслонок; метательных устройств; механизмов ударного действия (отбойные молотки, пробойники) и т. п. Указанные возможности линейных электроприводов поддерживают устойчивый интерес к их разработке и исследованию. В большинстве случаев ЦЛАД работают в кратковременных режимах работы. Такие двигатели можно рассматривать не как преобразователи энергии, а как преобразователи силы. При этом такой показатель качества, как коэффициент полезного действия отходит на второй план. В то же время в циклических электроприводах (приводы насосов, компрессоров, манипуляторов, отбойных молотков и т.п.) двигатели работают в повторно-кратковременных и продолжительных режимах. В этих случаях задача повышения технико-экономических показателей линейного электропривода на основе ЦЛАД становится актуальной.

В частности, одним из востребованных применений ЦЛАД является использование их в насосных агрегатах для подъема нефти из скважин. В настоящее время для этих целей используются преимущественно два способа механизированной добычи нефти:

1. Подъем с помощью установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН).

2. Подъем с помощью штанговых глубинных насосов (ШГН).

Погружные электроцентробежные насосы с приводом от высокоскоростных погружных асинхронных или вентильных двигателей используются для добычи нефти из скважин с высоким дебитом (25 м /сут и выше). Однако количество скважин с высоким избыточным давлением с каждым годом становится все меньше. Активная эксплуатация высокодебитных скважин приводит к постепенному уменьшению их дебита. При этом производительность насоса становится избыточной, что приводит к падению уровня пластовой жидкости в скважине и аварийным ситуациям (сухой ход насоса). При л падении дебита ниже 25 м /сут вместо погружных электроцентробежных насосов устанавливают штанговые глубинные насосы с приводом от станков-качалок, которые на сегодняшний день получили основное распространение. Постоянно растущее количество скважин с малым и средним дебитом еще больше увеличивает их долю в общем фонде оборудования для добычи нефти.

Установка штангового глубинного насоса состоит из наземного балан-сирного станка-качалки и погружного плунжерного насоса. Связь качалки с плунжером осуществляется штангой, длина которой 1500-2000 м. Для придания штангам возможно большей жесткости их изготавливают из специальных сталей. Установки ШГН и станки-качалки получили широкое распространение благодаря простоте обслуживания. Однако добыча таким способом имеет очевидные недостатки:

Износ насосно - компрессорных труб и штанг, обусловленный трением их поверхностей.

Частые обрывы штанг и малый межремонтный ресурс (300-350 суток).

Низкие регулировочные свойства штанговых насосных агрегатов и связанная с этим необходимость использования нескольких типоразмеров станков - качалок, а также трудности, возникающие при изменении дебита скважин.

Большие габариты и масса станков - качалок и штанг, затрудняющие их транспортировку и монтаж.

Указанные недостатки обуславливают поиск технических решений по созданию бесштанговых глубинно - насосных установок. Одним из таких решений является применение глубинных насосов плунжерного типа с приводом на основе линейных асинхронных двигателей. В этом случае исключаются штанги и качалки, предельно упрощается механическая часть. Подачу питания к таким двигателям на глубину 1,5-2,0 км можно осуществить кабелем, подобно тому, как это выполнено в электробурах и центробежных погружных насосах.

В 70-80-х годах прошлого века на волне общего всплеска интереса к линейным двигателям в Советском Союзе проводились исследования и разработки бесштанговых глубинно-насосных установок на основе цилиндрических ЛАД. Основные разработки велись в институте ПермНИПИнефть (г. Пермь) , Особом конструкторском бюро линейных электродвигателей (г. Киев) , институте электродинамики АН УССР (г. Киев) и СКВ магнитной гидродинамики (г. Рига) . Несмотря на большое количество технических решений в этой области практического применения эти установки не получили. Основной причиной этого были низкие удельные и энергетические показатели цилиндрических ЛАД, причина которых заключалась в невозможности обеспечения скорости бегущего поля 2-3 м/с при питании от промышленной частоты 50 Гц. Эти двигатели имели синхронную скорость бегущего поля 6-8 м/с и при работе на скорости движения 1-2 м/с имели повышенное скольжение s=0.7-0.9, что сопровождалось высоким уровнем потерь и низким КПД. Для уменьшения скорости бегущего поля до 2-3 м/с при питании от частоты 50 Гц необходимо уменьшать толщину зубцов и катушек до 3-5 мм, что является неприемлемым из соображений технологичности и надежности конструкции. В связи с этими недостатками исследования в этом направлении были свернуты.

Тема о возможности улучшения показателей цилиндрических ЛАД для привода глубинных насосов при питании от источника пониженной частоты была затронута в публикациях тех лет , но исследований в этом направлении не проводились. Массовое распространение частотно-регулируемого электропривода в настоящее время и тенденции непрерывного снижения стоимости и массо-габаритных показателей современной полупроводниковой техники делает актуальными исследования в области улучшения показателей низкоскоростных ЦЛАД. Улучшение энергетических и удельных показателей ЦЛАД за счет снижения скорости бегущего поля при питании от преобразователя частоты позволяет снова вернуться к проблеме создания бесштанговых глубинно-насосных установок и, возможно, обеспечить их практическое внедрение. Особенную актуальность этой теме придает тот факт, что в настоящее время в России более 50% фонда скважин заброшено из-за уменьшения дебита. Установка станков-качалок в скважинах с производительностью менее 10 м3/сут оказывается экономически невыгодной из-за высоких эксплуатационных затрат. С каждым годом количество таких скважин только растет, а альтернативы установкам ШГН до сих пор не создано. Проблема эксплуатации малодебитных скважин сегодня является одной из самых насущных в нефтяной отрасли.

Особенности электромагнитных и тепловых процессов в рассматриваемых двигателях связаны, прежде всего, с ограничением наружного диаметра ЦЛАД, определяемого размерами обсадных труб, и специфическими условиями охлаждения активных частей машины. Востребованность цилиндрических ЛАД потребовала разработки новых конструкций двигателей и развития теории ЦЛАД на основе современных возможностей компьютерного моделирования.

Целью диссертационной работы является повышение удельных показателей и энергетических характеристик цилиндрических линейных асинхронных двигателей, разработка ЦЛАД с улучшенными характеристиками для привода погружных плунжерных насосов.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Математическое моделирование ЦЛАД с использованием метода аналогового моделирования многослойных структур (Е-Н-четырехполюсников) и метода конечных элементов в двухмерной постановке задачи (с учетом осевой симметрии).

2. Исследование возможностей улучшения характеристик ЦЛАД при питании от источника пониженной частоты.

3. Исследование влияния ограниченной толщины вторичного элемента и толщины высокопроводящего медного покрытия на показатели ЦЛАД.

4. Разработка и сравнение конструкций ЦЛАД для привода погружных плунжерных насосов.

5. Математическое моделирование тепловых процессов ЦЛАД с использованием метода конечных элементов.

6. Создание методики расчета циклограмм и результирующих показателей ЦЛАД, работающего в составе погружной установки с плунжерным насосом.

7. Экспериментальное исследование цилиндрических ЛАД.

Методы исследования. Решение поставленных в работе расчетнотеоретических задач проведено с использованием метода аналогового моделирования многослойных структур и метода конечных элементов, основанных на теории электромагнитного и теплового полей. Оценка интегральных показателей проведена с использованием встроенных возможностей пакетов расчета методом конечных элементов FEMM 3.4.2 и Elcut 4.2 Т. В методике расчета циклограмм используются дифференцильные уравнения механического движения, оперирующие со статическими механическими характеристиками двигателя и нагрузочными характеристиками приводимого в движение объекта. В методике теплового расчета используются методы определения квазистационарного теплового состояния с использованием приведенных усредненных объемных потерь. Реализация разработанных методик осуществлена в математической среде Mathcad 11 Enterprise Edition. Достоверность математических моделей и результатов расчета подтверждается сопоставлением расчетов по разным методикам и расчетных результатов с экспериментальными данными опытного ЦЛАД.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Предложены новые конструкции ЦЛАД, выявлены особенности электромагнитных процессов в них;

Разработаны математические модели и методики расчета ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников и методом конечных элементов с учетом особенностей новых конструкции и нелинейности магнитных характеристик материалов;

Предложен подход к исследованию характеристик ЦЛАД на основе последовательного решения электромагнитных, тепловых задач и расчета циклограмм работы двигателя в составе насосного агрегата;

Выполнено сопоставление характеристик рассмотренных конструкций ЦЛАД, показаны преимущества обращенных вариантов.

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

Выполнена оценка характеристик ЦЛАД при питании от источника пониженной частоты, показан уровень частоты, рациональный для погружных ЦЛАД. В частности, показано, что уменьшение частоты скольжения менее 45 Гц не целесообразно из-за увеличения глубины проникновения поля и ухудшения характеристик ЦЛАД в случае использования ограниченной толщины ВЭ;

Выполнен анализ характеристик и сравнение показателей различных конструкций ЦЛАД. Для привода погружных плунжерных насосов рекомендована обращенная конструкция ЦЛАД с подвижным индуктором, обладающая наилучшими показателями среди других вариантов;

Реализована программа расчета необращенной и обращенной конструкций ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников с возможностью учета реальной толщины слоев ВЭ и насыщения стального слоя;

Созданы сеточные модели более 50 вариантов ЦЛАД для расчета методом конечных элементов в пакете FEMM 3.4.2, которые могут использоваться в проектной практике;

Создана методика расчета циклограмм и показателей привода погружных насосных агрегатов с ЦЛАД в целом.

Реализация работы. Результаты НИР переданы для использования в разработках ООО НПФ «Битек». Программы расчета ЦЛАД используются в учебном процессе кафедр «Электротехника и электротехнологические системы» и «Электрические машины» Уральского государственного технического университета - У ПИ.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на:

НПК «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург, 2002, 2004);

7-й НПК «Энергосберегающие техника и технологии» (Екатеринбург, 2004);

IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (Магнитогорск, 2004);

Всероссийском электротехническом конгрессе (Москва, 2005);

Отчетных конференциях молодых ученых УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003-2005).

1. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЛИНЕЙНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ПРИВОДА ПОГРУЖНЫХ ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основу линейных электроприводов погружных плунжерных насосов составляют цилиндрические линейные асинхронные двигатели (ЦЛАД), основными достоинствами которых являются: отсутствие лобовых частей и потерь в них, отсутствие поперечного краевого эффекта, геометрическая и электромагнитная симметрия. Поэтому представляют интерес технические решения по разработке подобных ЦЛАД, используемых для других целей (приводы разъединителей, толкателей и.т.п) . Кроме того, при системном решении вопроса создания глубинно-насосных агрегатов с ЦЛАД помимо конструкций насосов и двигателей следует рассматривать технические решения по управлению и защите электроприводов.

В рассматривается наиболее простой вариант конструктивного исполнения системы ЦЛАД - плунжерный насос. Плунжерный насос в сочетании с линейным асинхронным двигателем (рис. 1.1,а) представляет собой плунжер 6, который связан тягой 5 с подвижной частью 4 линейного двигателя. Последняя, взаимодействуя с индуктором 3 с обмотками 2, присоединенными кабелем 1 к источнику питания, создает силу, поднимающую или опускающую плунжер. При движении вверх плунжера, расположенного внутри цилиндра 9, нефть всасывается через клапан 7.

При подходе плунжера к верхнему положению, изменяется чередование фаз, и подвижная часть линейного двигателя вместе с плунжером опускается вниз. При этом нефть, находящаяся внутри цилиндра 9, через клапан 8 проходит во внутреннюю полость плунжера. При дальнейшем изменении чередования фаз подвижная часть перемещается попеременно вверх и вниз и при каждом такте поднимает вверх порцию нефти. Из верхней части трубы нефть поступает в накопительный бак для дальнейшей транспортировки. Далее цикл повторяется, и при каждом такте наверх поднимается порция нефти.

Аналогичное решение, предложенное институтом ПермНИПИнефть и описанное в , показано на рис. 1.1,6.

Для увеличения производительности насосных установок на основе ЦЛАД разработаны агрегаты двойного действия . Например, на рис. 1.1,в показан глубинно-насосный агрегат двойного действия . Насос располагается в нижней части агрегата. В качестве рабочих полостей насоса использована как бесштоковая область, так и штоковая. При этом в поршне размещен один нагнетательный клапан, последовательно работающий на обе полости.

Главной конструктивной особенностью скважинных насосных установок является ограниченный диаметр скважины и обсадной трубы, не превышающий 130 мм. Для обеспечения требуемой для поднятия жидкости мощности общая длина установки, включающая в себя насос и погружной двигатель, может достигать 12 метров. Длина погружного двигателя может превышать его внешний диаметр в 50 раз и более. Для вращающихся асинхронных двигателей эта особенность определяет сложности с укладкой обмотки в пазы такого двигателя. В ЦЛАД обмотка выполняется из обычных кольцевых катушек, а ограниченность диаметра двигателя приводит к трудностям в изготовлении магнитопровода индуктора, который должен иметь направление шихтовки параллельное оси двигателя.

Ранее предлагавшиеся решения были основаны на применении в насосных агрегатах ЦЛАД традиционной необращенной конструкции, в которых вторичный элемент расположен внутри индуктора. Такая конструкция в условиях ограниченного внешнего диаметра двигателя определяет малый диаметр вторичного элемента и, соответственно, малую площадь активной поверхности двигателя. Вследствие этого такие двигатели имеют невысокие удельные показатели (механическая мощность и тяговое усилие на единицу длины). К этому добавляются проблемы изготовления магнитопровода индуктора и сборки всей конструкции такого двигателя. а 6 в

Рис. 1.1. Варианты исполнения погружных насосных установок с ЦЛАД 1 ----:

Рис. 1.2. Схемы конструктивного исполнения ЦЛАД: а - традиционный, б - обращенный

В условиях ограниченного внешнего диаметра корпуса погружного ЦЛАД существенное увеличение удельных показателей может быть достигнуто применением «обращенной» схемы «индуктор - вторичный элемент» (рис. 1.2,6), при которой вторичная часть охватывает индуктор. При этом возможно увеличение объема электромагнитного ядра двигателя при том же диаметре корпуса, благодаря чему достигается значительное увеличение удельных показателей по сравнению с необращенной конструкцией при равных значениях токовой нагрузки индуктора.

Трудности, связанные с изготовлением магнитопровода вторичного элемента ЦЛАД из листовой электротехнической стали с учетом указанных соотношений диаметральных размеров и длины, делают предпочтительным использование массивного стального магнитопровода, на который наносится высокопроводящее (медное) покрытие. В этом случае появляется возможность использовать в качестве магнитопровода стальной корпус ЦЛАД.

При этом обеспечивается наибольшая площадь активной поверхности ЦЛАД. Кроме этого, потери, выделяющиеся во вторичном элементе, поступают непосредственно в охлаждающую среду. Так как работа в циклическом режиме характеризуется наличием участков разгона с повышенными скольжениями и потерями во вторичном элементе, эта особенность также играет положительную роль. Исследование литературных источников показывает, что обращенные конструкции ЛАД изучены значительно меньше, чем необращенные. Поэтому исследование подобных конструкций с целью улучшения показателей ЦЛАД, в частности для привода погружных плунжерных насосов, представляется актуальным.

Одним из главных препятствий на пути распространения цилиндрических линейных двигателей является проблема обеспечения приемлемых показателей при питании от стандартной промышленной частоты 50 Гц. Для применения ЦЛАД в качестве привода плунжерного насоса, максимальная скорость движения плунжера должна составлять 1-2 м/с. Синхронная скорость линейного двигателя зависит от частоты сети и от величины полюсного деления, которое в свою очередь зависит от ширины зубцового деления и числа пазов на полюс и фазу:

Гс=2./Гг, где т = 3-q-t2. (1.1)

Как показывает практика, при изготовлении ЛАД с шириной зубцового деления меньше 10-15 мм возрастает сложность изготовления и падает надежность. При изготовлении индуктора с числом пазов на полюс и фазу q=2 и выше синхронная скорость ЦЛАД на частоте 50 Гц будет составлять 6-9 м/с. Учитывая, что из-за ограниченной длины хода максимальная скорость подвижной части не должна превышать 2 м/с, такой двигатель будет работать с высокими значениями скольжения, а, следовательно, с низким КПД и в тяжелом тепловом режиме. Для обеспечения работы при скольжениях s<0.3 необходимо выполнять ЦЛАД с полюсным делением т<30 мм. Уменьшение полюсного деления кроме технологических проблем ведет к ухудшению показателей двигателя из-за роста намагничивающего тока. Для обеспечения приемлемых показателей таких ЦЛАД воздушный зазор должен составлять 0.1-0.2 мм . При увеличении зазора до технологически приемлемых значений 0.4-0.6 мм рост намагничивающего тока приводит к значительному снижению усилия и технико-экономических показателей ЦЛАД.

Основным способом, позволяющим улучшить характеристики ЦЛАД, является его питание от регулируемого преобразователя частоты. При этом линейный двигатель можно спроектировать на наиболее выгодную для установившегося движения частоту. Кроме этого, изменяя частоту по требуемому закону, при каждом пуске двигателя можно значительно уменьшить потери энергии на переходные процессы, а при торможении возможно использование рекуперативного метода торможения, улучшающего общие энергетические характеристики привода. В 70-80-е годы применение регулируемого преобразователя частоты для управления погружными установками с линейными электродвигателями сдерживалось недостаточным уровнем развития силовой электроники. В настоящее время массовое распространение полупроводниковой техники позволяет реализовать эту возможность.

При разработке новых вариантов погружных установок с приводом от линейного двигателя реализация совмещенных конструкций насоса и двигателя, предлагавшихся в 70-х годах и показанных на рис. 1.1 трудновыполнима. Новые установки должны иметь раздельное выполнение ЛАД и плунжерного насоса. При расположении плунжерного насоса над линейным двигателем во время работы обеспечивается поступление пластовой жидкости в насос через кольцевой канал между ЛАД и обсадной трубой, благодаря чему осуществляется принудительное охлаждение ЛАД. Установка такого плунжерного насоса с приводом от линейного двигателя практически идентична установке электроцентробежных насосов с приводом от погружных асинхронных электродвигателей. Схема такой установки приведена на рис. 1.3. В состав установки входят: 1- цилиндрический линейный двигатель, 2 - гидрозащита, 3 ~ плунжерный насос, 4-обсадная труба, 5 - насосно-компрессорная труба, 6 - кабельная линия, 7 - оборудование устья скважины, 8 - выносной пункт подключения кабеля, 9 - комплектное трансформаторное устройство, 10 - станция управления двигателем.

Подведя итог, можно сказать, что разработка погружных плунжерных насосов с линейным электроприводом остается актуальной задачей, для решения которой необходимо разрабатывать новые конструкции двигателей и исследовать возможности повышения их показателей за счет рационального выбора частоты питания, геометрических размеров электромагнитного ядра и вариантов охлаждения двигателя. Решение этих задач особенно применительно к новым конструкциям требует создания математических моделей и методик расчета двигателей.

При разработке математических моделей ЦЛАД автор опирался как на ранее разработанные подходы , так и на возможности современных пакетов прикладных программ.

Рис. 1.3. Схема погружной установки с ЦЛАД

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Соколов, Виталий Вадимович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании обзора литературы и патентных источников, учитывая имеющийся опыт использования цилиндрических линейных двигателей для привода глубинных плунжерных насосов, показана актуальность научно-исследовательских работ, направленных на совершенствование конструкций и оптимизацию характеристик ЦЛАД.

2. Показано, что использование для питания ЦЛАД преобразователя частоты, а также разработка новых конструкций позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели ЦЛАД и обеспечить их успешное промышленное внедрение.

3. Разработаны методики электромагнитного расчета ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников и методом конечных элементов с учетом нелинейности магнитных характеристик материалов и особенностей новых конструкций ЦЛАД, прежде всего, ограниченной толщины массивного ВЭ.

4. Создана методика расчета циклограмм работы и энергетических показателей ЦЛАД, а также теплового состояния двигателя при работе в возвратно-поступательном режиме.

5. Выполнены систематические исследования влияния на характеристики ЦЛАД с массивным ВЭ частоты скольжения, величины полюсного деления, зазора, токовой нагрузки, ограниченной толщины ВЭ и толщины высокопроводящего покрытия. Показано влияние ограниченной толщины ВЭ и высокопроводящего покрытия на показатели ЦЛАД. Установлено, что работа рассматриваемых погружных ЦЛАД с ограниченной толщиной ВЭ на частоте скольжения менее 4-5 Гц нецелесообразна. Оптимальный диапазон полюсных делений в данном случае лежит в диапазоне 90-110 мм.

6. Разработаны новые обращенные конструкции ЦЛАД, позволяющие значительно повысить удельные показатели в условиях ограниченного внешнего диаметра. Проведено сравнение технико-экономических показателей и тепловых режимов новых конструкций с традиционными необращенными конструкциями ЦЛАД. Благодаря использованию новых конструкций ЦЛАД и пониженной частоты питания удается достичь усилия в рабочей точке механической характеристики 0,7-1 кН на 1 м длины индуктора для ЦЛАД с внешним диаметром 117 мм. Новые технические решения предполагается патентовать, материалы находятся на рассмотрении в Роспатенте.

7. Расчеты циклограмм работы ЦЛАД для привода глубинных насосов показали, что из-за нестационарного режима работы результирующий КПД ЦЛАД падает в 1.5 раза и более по сравнению с КПД в установившемся режиме и составляет 0.3-0.33. Достигнутый уровень соответствует средним показателям штанговых глубинных насосных установок.

8. Экспериментальные исследования лабораторного ЦЛАД показали, что предложенные методы расчета обеспечивают приемлемую для инженерной практики точность и подтверждают правильность теоретических предпосылок. Достоверность методик также подтверждается сравнением результатов расчетов различными методами.

9. Разработанные методики, результаты исследований и рекомендации переданы в ООО НПФ «Битек» и использованы при разработке опытно-промышленного образца погружного ЦЛАД. Методики и программы расчета ЦЛАД применяются в учебном процессе кафедр «Электротехника и электротехнологические системы» и «Электрические машины» Уральского государственного технического университета - УПИ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соколов, Виталий Вадимович, 2006 год

1. Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Линейные асинхронные двигатели.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-256с.

2. Айзеннггейн Б.М. Линейные электродвигатели. Обзорная информация.-М.: ВИНИТИ, 1975, т.1. -112 с.

3. Соколов М.М., Сорокин Л.К. Электропривод с линейными двигателями. .-М.:Энергия, 1974.-136с.

4. Ижеля Г.И., Ребров С.А., Шаповаленко А.Г. Линейные асинхронные двигатели.-Киев:Техника, 1975.-135 с.

5. Веселовский О.Н., Годкин М.Н. Индукционные электродвигатели с разомкнутым магнитопроводом. Обзорная информация.-М.: Информ-электро, 1974.-48с.

6. Вольдек А.И. Индукционные МГД-машины с жидкометаллическим рабочим телом.-Л.: Энергия, 1970.-272 с.

7. Ижеля Г.И., Шевченко В.И. Создание линейных электродвигателей: перспективы внедрения и их экономическая эффективность // Электропривод с линейными электродвигателями: Труды Всесоюзной научной конференции.- Киев: 1976, т.1, с. 13-20.

8. Локпшн Л.И., Семенов В.В. Глубинный плунжерный насос с цилиндрическим индукционным двигателем// Электропривод с линейными электродвигателями: Труды всесоюзной научной конференци.-Киев:1976, т.2,с.39-43.

9. Линейные электродвигатели погружного исполнения для привода глубинных плунжерных насосов/ Л.И.Локшин, В.В. Семенов, А.Н. Сюр, Г.А. Чазов// Тезисы докладов Уральской конференции по магнитной гидродинамике.-Пермь, 1974, с.51-52.

10. Линейные погружные электронасосы/ Л.И.Локшин, В.В. Семенов и др.// Тезисы докладов Уральской конференции по магнитной гидродинамике.-Пермь, 1974, с.52-53.

11. П.Семенов В.В. Линейный асинхронный двигатель плунжерного насоса со вторичным элементом, совмещающем функции рабочего тела и управления// Автореферат диссертации.к.т.н.,-Свердловск, 1982,-18 с.

12. Семенов В.В. Основные тенденции в построении систем управления линейным двигателем привода глубинных насосов// Сборник научных трудов УПИ,-Свердловск, 1977, с.47-53.

13. Локшин Л.И., Сюр А.Н., Чазов Г.А. К вопросу создания бесштангового насоса с линейным электроприводом// Машины и нефтяное оборудова-ние.-М.:1979, №12, с.37-39.

14. М.Оснач A.M. Система управления погружным линейным электродвигателем насосной установки для добычи нефти // Электромеханическое преобразование энергии: Сб. научных трудов.-Киев, 1986, с.136-139.

15. Тийсмус Х.А., Лаугис Ю.Я., Тээметс Р.А. Опыт разработки, изготовления и применения линейных асинхронных двигателей// Труды ТЛИ, Таллин, 1986, №627, с. 15-25.

16. Исследование параметров и характеристик ЛАД с цилиндрической внешней вторичной частью/ J.Nazarko, M.Tall // Pr. nauk. Inst. ukl. electromaszyn Polutechniki Warszawskie.-1981, 33 ,c. 7-26 (пол.), РЖ ЭМ, 1983, №1И218.

17. Локшин Л.И., Вершинин В.А. О методе теплового расчета линейных асинхронных двигателей погружного типа // Сборник научных трудов УПИ,-Свердловск, 1977, с.42-47.

18. Сапсалев А.В. Циклический безредукторный электропривод // Электротехника, 2000, №11, с.29-34.

19. Могильников B.C., Олейников А.М., Стрельников А.Н. Асинхронные двигатели с двухслойным ротором и их применение.-М.: Энергоатом-издат, 1983.-120с.

20. Сипайлов Г.А., Санников Д.И., Жадан В.А. Тепловые гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах.-М: Высш. Шк., 1989.-239с.

21. Мамедшахов М.Э. Специальные электромеханические преобразователи энергии в народном хозяйстве. -Ташкент: Фан, 1985.-120с.

22. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидравлическое сопротивление. -М.: Энергоатомиздат, 1990.-367с.

23. Инкин А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических ма-шин.-Новосибирск: ЮКЭА, 2002.- 464с.

24. Бессонов J1.A. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник. 10 изд., стереотипное.-М.:Гардарики, 2003.-317с.

25. Математические модели линейных индукционных машин на основе схем замещения: Учебное пособие/Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, П. Шымчак. 2-е издание, перераб. и дополн. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. -431 с.

26. Цилиндрические линейные электродвигатели с улучшенными характеристиками / А.Ю. Коняев, С. В. Соболев, В.А. Горяинов, В.В. Соколов // Материалы Всероссийского электротехнического конгресса. - М., 2005, с.143-144.

27. Способы улучшения показателей цилиндрических линейных асинхронных двигателей / В.А. Горяинов, А.Ю. Коняев, В.В. Соколов // Энергетика региона. 2006, №1-2, с.51-53.

28. Пути совершенствования цилиндрических линейных асинхронных двигателей / В.А. Горяинов, А.Ю. Коняев, С.В. Соболев, В.В. Соколов // Электротехнические комплексы и системы: Межвузовский научный сборник.-Уфа: УГАТУ, 2005, с.88-93.

29. А.С. СССР №491793. Глубинный поршневой бесштанговый насос двойного действия / В.В.Семенов, Л.И. Локшин, Г.А.Чазов; ПермьНИ-ПИнефть,Заявл. 30.12.70 №1601978. Опубл.-10.02.76. МПК F04B47/00.

30. А.С. СССР №538153. Бесштанговый насосный агрегат / Е.М. Гнеев, Г.Г. Смердов, Л.И. Локшин и др.; ПермьНИПИнефть. Заявл. 02.07.73 №1941873. Опубл. 25.01.77. МПК F04B47/00.

31. А.С. СССР№1183710 Скважинная насосная установка / А.К. Шидлов-ский, Л.Г. Безусый, А.П. Островский и др.; Институт электродинамики АН УССР, Укр. НИПИ нефтяной промышленности. Заявл. 20.03.81 №3263115/25-06. Опубл. БИ, 1985,37. МПК F04B47/06.

32. А.С. СССР№909291. Электромагнитный скважинный насос / А.А. По-зняк, А.Э. Тинте, В.М. Фолифоров и др.;СКБ МГД Ин-та физики АН Латв. ССР. Заявл. 02.04.80 №2902528/25-06. Опубл. в БИ. 1983, №8. МПК F04B 43/04, F04B 17/04.

33. А.С. СССР№909290. Электромагнитный скважинный насос / А.А. По-зняк, А.Э. Тинте, В.М. Фолифоров и др.;СКБ МГД Ин-та физики АН Латв. ССР. Заявл. 02.04.80 №2902527/25-06. Опубл. в БИ. 1983, №8. МПК F04B 43/04, F04B 17/04.

34. Патент США №4548552. Глубиннонасосная установка. Dual valve well pump installation / D.R. Holm. Заявл. 17.02.84 №581500. Опубл. 22.10.85. MTIKF04B 17/04. (НКИ 417/417).

35. Патент США №4687054. Линейный электродвигатель для скважинного насоса. Linear electric motor for downhole use / G.W. Russel, L.B. Underwood. Заявл. 21.03.85 №714564. 18.08.87. МПК E21B 43/00. F04B 17/04. (НКИ 166/664).

36. А.С. ЧССР№183118. Линейный асинхронный двигатель. Linearni induk-cni motor / Ianeva P. Заявл. 06.06.75 №PV 3970-75. Опубл. 15.05.80. МПК H02K41/02.

37. Патент CPP №70617. Цилиндрический линейный двигатель с низкочастотным питанием. Motor electric linear cilindic, de joasa freventa / V.Fireteanu, C.Bala, D.Stanciu. Заявл. 6.10.75. №83532. Опубл. 30.06.80. МПК H02K41/04.

38. A.C. CCCP№652659. Магнитопровод индуктора линейного цилиндрического двигателя / В.В. Филатов, А.Н. Сюр, Г.Г. Смердов; ПермьНИ-ПИнефть. Заявл. 4.04.77. №2468736. Опубл. 18.03.79. МПК Н02К41/04. БИ№10.

39. А.С. СССР№792509. Индуктор линейного цилиндрического двигателя / В.В. Филатов, А.Н. Сюр, Л.И. Локшин; ПермьНИПИнефть. Заявл. 12.10.77. №2536355. Опубл. 30Л2.80. МПК Н02К41/02.

40. А.С. СССР№693515. Цилиндрический линейный асинхронный двигатель / Л.К. Сорокин. Заявл. 6.04.78. №2600999. Опубл. 28.10.79. МПК Н02К41/02.

41. А.С. СССР№1166232. Линейный многофазный двигатель / Л.Г. Безусый; ин-т электродинамики АН УССР. Заявл. 05.06.78. №2626115/2407. Опубл. БИ, 1985, №25. МПК Н02К2/04.

42. А.С. СССР№892595. Индуктор линейного цилиндрического электродвигателя / В.С.Попков, Н.В. Богаченко, В.И. Григоренко и др. ОКБ линейных электродвигателей. Заявл. 04.04.80. №2905167. Опубл. БИ 1981, №47. МПК Н02К41/025.

43. А.С. СССР№1094115. Индуктор линейного цилиндрического электродвигателя / Н.В. Богаченко, В.И. Григоренко; ОКБ линейных электродвигателей. Заявл. 11.02.83., №3551289/24-07. Опубл. БИ 1984, №19. МПК Н02К41/025.

44. A.C. СССР№1098087. Индуктор линейного цилиндрического электродвигателя / Н.В. Богаченко, В.И. Григоренко; ОКБ линейных электродвигателей. 3аявл.24.03.83., №3566723/24-07. Опубл. БИ 1984, №22. МПК Н02К41/025.

45. А.С. СССР№1494161. Индуктор линейного цилиндрического электродвигателя / Д.И. Мазур, М.А. Луцив, В.Г. Гуральник и др.; ОКБ линейных электродвигателей. Заявл. 13.07.87. №4281377/24-07. Опубл. в БИ 1989, №26. МПК Н02К4/025.

46. А.С. СССР№1603495. Индуктор линейного цилиндрического электродвигателя / Н.В. Богаченко, В.И. Григоренко; ОКБ линейных электродвигателей. Заявл.04.05.88., №4419595/24-07. Опубл. БИ 1990, №40.

47. А.С. СССР№524286. Линейный асинхронный двигатель / В.В. Семенов, А.А. Костюк, В.А. Севастьянов; ПермьНИПИнефть.-Опубл. в БИ, 1976, №29, МПК Н02К41/04.

48. А.С. СССР№741384. Линейный асинхронный двигатель / В.В. Семенов, М.Г. Резин; ПермьНИПИнефть. Заявл. 23.12.77, №2560961/24-07. Опубл. в БИ, 1980, №22. МПК Н02К41/04.

49. А.С. СССР№597051. Электропривод / В.В. Семенов, Л.И.Локшин, и др. ПермьНИПИнефть.- Заявл. 29.05.75 № 2138293/24-07. Опубл. в БИ, 1978, №9. МПК Н02К41/04.

50. А.С. СССР№771842. Устройство для управления погружным линейным электродвигателем возвратно-поступательного движения /В.В. Семенов; ПермьНИПИнефть. Заявл. 31.10.78. №2679944/24-07. Опубл. в БИ, 1980, №38 МПК Н02Р7/62, Н02К41/04.

51. А.С. СССР№756078. Электроприводной бесштанговый насосный агрегат/ Г.Г. Смердов, А.Н. Сюр, А.Н. Кривоносов, В.В. Филатов; ПермьНИПИнефть. Заявл. 28.06.78, №2641455. Опубл. в БИ,1980, №30. МПК F04B47/06.

52. А.С. СССР№9821139.Устройство для защиты погружного электродвигателя от анормальных режимов / Г.В. Конынин, А.Н. Сюр, Л.И. Лок-шин и др.; ПермНИПИнефть.Заявл. 04.05.81, №3281537. Опубл. в БИ, 1982, №46.

53. Скважинный насос. Pumping apparatus for installation in wells/ A.D. Webb; The British Petroleum Co. Заявл 08.12.82, №8234958(Вбр). Опубл. 27.07.83. МПК F04B17/00.

54. Davis M.V. Concetric linear induction motor/ Патент США, №3602745. Заявл. 27.03.70. Опубл. 31.08.71. МПК Н02К41/02.

55. Perfectionements aux dispositifs electriqnes d"entrainement rectiligne/ Франц. патент №2082150, Заявл. 05.03.70, Опубл. 10.12.71. МПК Н02КЗЗ/00.129

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

На правах рукописи

баженов владимир аркадьевич

Цилиндрический линейный асинхронный двигатель в приводе высоко вольтных выключателей

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Владыкин Иван Ревович

Официальные оппоненты: Воробьев Виктор Андреевич

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО МГАУ

им. В.П. Горячкина

Бекмачев Александр Егорович

кандидат технических наук,

руководитель проектов

ЗАО «Радиант-Элком»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетном образовательном учреждение высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Чувашская ГСХА)

Защита состоится «28 » мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 11, ауд. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Размещен на сайте: www.izhgsha/ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Н.Ю. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С переводом сельскохозяйственного производства на промышленную основу существенно повышаются требования к уровню надёжности электроснабжения.

Целевая комплексная программа повышения надёжности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей /ЦКП ПН/ предусматривает широкое внедрение средств автоматизации сельских распределительных сетей 0,4…35 кВ, как одно из наиболее эффективных способов достижения этой цели. Программа включает в себя, в частности, оснащение распределительных сетей современной коммутационной аппаратурой и приводными устройствами к ним. Наряду с этим предполагается широкое использование первичной коммутационной аппаратуры находящейся в эксплуатации.

Наибольшее распространение в сельских сетях нашли выключатели масляные (ВМ) с пружинными и пружинно-грузовыми приводами. Однако, из опыта эксплуатации известно, что приводы ВМ являются одним из наименее надёжных элементов распределительных устройств. Это снижает эффективность комплексной автоматизации сельских электрических сетей. Например, в исследованиях Сулимова М.И., Гусева В.С. отмечено, что 30…35% случаев действия релейной защиты и автоматики (РЗА) не реализуют из-за неудовлетворительного состояния приводов. Причём до 85% дефектов приходится на долю ВМ 10…35 кВ с пружинно-грузовыми приводами. Исследователи Зуль Н.М., Палюга М.В., Анисимов Ю.В. отмечают, что 59,3% отказов автоматического повторного включения (АПВ) на базе пружинных приводов происходит из-за блок- контактов привода и выключателя, 28,9% из-за механизмов включения привода и удержания его во включённом положении. О неудовлетворительном состоянии и необходимости модернизации и разработки надёжных приводов отмечено в работах Гриценко А.В., Цвяк В.М., Макарова В.С., Олиниченко А.С..

Рисунок 1 - Анализ отказов в электроприводах ВМ 6…35 кВ

Имеется положительный опыт применения более надёжных электромагнитных приводов постоянного и переменного тока для ВМ 10 кВ на понижающих подстанциях сельскохозяйственного назначения. Соленоидные приводы, как отмечено работе Мельниченко Г.И., выгодно отличаются от других типов приводов простотой конструкции. Однако, являясь приводами прямого действия, они потребляют большую мощность и требуют установки громоздкой аккумуляторной батареи и зарядного устройства или же выпрямительного устройства со специальным трансформатором мощностью 100 кВА. В силу указанного ряда особенностей эти приводы не нашли широкого применения.

Нами был проведен анализ достоинств и недостатков различных приводов для ВМ.

Недостатки электромагнитных приводов постоянного тока: невозможность регулировки скорости движения сердечника включающего электромагнита, большая индуктивность обмотки электромагнита, которая увеличивает время включения выключателя до 3..5 с, зависимость тягового усилия от положения сердечника, что приводит к необходимости ручного включения, аккумуляторная батарея или выпрямительная установка большой мощности и их большие габариты и масса, что занимает в полезной площади до 70 м2 и др.

Недостатки электромагнитных приводов переменного тока: большое потребление мощности (до 100…150 кВА), большое сечение питающих проводов, необходимость увеличения мощности трансформатора собственных нужд по условию допустимой посадки напряжения, зависимость мощности от начального положения сердечника, невозможность регулировки скорости движения и т.д.

Недостатки индукционного привода плоских линейных асинхронных двигателей: большие габариты и масса, пусковой ток до 170 А, зависимость (резко снижается) тягового усилия от нагрева бегуна, необходимость качественной регулировки зазоров и сложность конструкции.

Вышеперечисленные недостатки отсутствуют у цилиндрических линейных асинхронных двигателей (ЦЛАД) в виду своих конструктивных особенностей и массогабаритных показателей. Поэтому предлагаем использовать их в качестве силового элемента в приводах типа ПЭ-11 для масляных выключателей, которых по данным Западно-Уральского управления Ростехнадзора по Удмуртской Республике сегодня на балансе энергоснабжающих компаний в эксплуатации находятся типа ВМП-10 600 штук, типа ВМГ-35 300 штук.

На основании выше изложенного сформулирована следующая цель работы : повышение эффективности привода высоковольтных масляных выключателей 6…35 кВ, работающего на основе ЦЛАД, позволяющего снизить ущерб от недоотпуска электроэнергии.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи исследований:

Провести обзорный анализ существующих конструкций приводов высоковольтных выключателей 6 …35 кВ.
Разработать математическую модель ЦЛАД на основе трехмерной модели для расчета характеристик.
Определить параметры наиболее рационального типа привода на основании теоретических и экспериментальных исследований.
Провести экспериментальные исследования тяговых характеристик выключателей 6…35 кВ с целью проверки адекватности предлагаемой модели существующим стандартам.
Разработать конструкцию привода масляных выключателей 6…35 кВ на основе ЦЛАД.
Провести технико-экономическое обоснование эффективности использования ЦЛАД для приводов масляных выключателей 6…35 кВ.

Объектом исследования является: цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель (ЦЛАД) приводных устройств выключателей сельских распределительных сетей 6…35 кВ.

Предмет исследования : изучение тяговых характеристик ЦЛАД при работе в масляных выключателях 6…35 кВ.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием основных законов геометрии, тригонометрии, механики, дифференциального и интегрального исчисления. Натуральные исследования проводились с выключателем ВМП-10 с использованием технических и измерительных средств. Обработка экспериментальных данных выполнена с использованием программы «Microsoft Excel».

Научная новизна работы.

Предложен новый тип привода масляных выключателей, позволяющий повысить надежность их работы в 2,4 раза.
Разработана методика расчета характеристик ЦЛАД, которая в отличие от предложенных ранее, позволяет учитывать краевые эффекты распределения магнитного поля.
Обоснованы основные конструкционные параметры и режимы работы привода для выключателя ВМП-10, снижающие недоотпуск электроэнергии потребителям.

Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:

Предложена конструкция привода выключателей типа ВМП-10.
Разработана методика расчета параметров цилиндрического линейного асинхронного двигателя.
Разработана методика и программа расчета привода, которые позволяют рассчитывать приводы выключателей подобных конструкций.
Определены параметры предлагаемого привода для ВМП-10 и ему подобных.
Разработан и испытан лабораторный образец привода, который позволил уменьшить потери перерывов электроснабжения.

Реализация результатов исследований.

Работа проведена в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧИМЭСХ, регистрационный номер №02900034856 «Разработка привода для высоковольтных выключателей 6...35 кВ». Результаты работы и рекомендации приняты и используются в ПО «Башкирэнерго» С-ВЭС (получен акт внедрения).

Работа основана на обобщении результатов исследований, выполненных самостоятельно и в содружестве с учеными ФГБОУ ВПО Челябинского государственного агроуниверситета (г. Челябинск), Специального конструкторского технологического бюро «Продмаш» (Ижевск), ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии.

На защиту вынесены следующие положения:

Тип привода масляных выключателей на основе ЦЛАД.
Математическая модель расчета характеристик ЦЛАД, а также тягового усилия в зависимости от конструкции паза.
Методика и программа расчета привода для выключателей типа ВМГ, ВМП напряжением 10…35 кВ.
Результаты исследований предлагаемой конструкции привода масляных выключателей на основе ЦЛАД.

Апробация результатов исследований. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях: ХХХIII научная конференция посвященная 50-летию института, Свердловск (1990); международная научно-практическая конференция «Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований» (г. Ижевск, ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА 2003); Региональная научно-методическая конференция (Ижевск, ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2004); Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии – 50 лет». (Ижевск, 2005), на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА».

Публикации по теме диссертации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены 8 печатных работах, в том числе: в одной статье, опубликованной в журнале, рекомендованном ВАК, двух депонированных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений, изложена на 138 страницах основного текста, содержит 82 рисунка, 23 таблицы и списка использованных источников из 103 наименований и 4 приложений.

Во введении обоснована актуальность работы, рассмотрены состояние вопроса, цель и задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ конструкций приводов выключателей.

Установлено:

Принципиальное преимущество совмещения привода с ЦЛАД;

Необходимость дальнейших исследований;

Цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методы расчета ЦЛАД.

На основании анализа распространения магнитного поля выбрана трехмерная модель.

Обмотка ЦЛАД в общем случае состоит из отдельных катушек, включенных последовательно в трёхфазную схему.

Рассматривается ЦЛАД с однослойной обмоткой и симметричным относительно сердечника индуктора расположением вторичного элемента в зазоре. Математическая модель такого ЛАД представлена на рис.2.

Принятые следующие допущения:

1. Ток обмотки, уложенной на длине 2р , сосредоточен в бесконечно тонких токовых слоях, расположенных на ферромагнитных поверхностях индуктора и создает чисто синусоидальную бегущую волну. Амплитуда связана известным соотношением с линейными плотностью тока и токовой нагрузкой

, (1)

– полюсное;

m – число фаз;

W – число витков в фазе;

I - действующее значение тока;

Р - число пар полюсов;

J - плотность тока;

Коб1 – обмоточный коэффициент основной гармоники.

2. Первичное поле в области лобовых частей аппроксимируется экспоненциальной функцией

(2)

Достоверность такой аппроксимации к реальной картине поля говорят проведенные ранее исследования, а также опыты на модели ЛАД. При этом возможно заменить L=2 с .

3.Начало неподвижной системы координат x, y, z расположено в начале обмотанной части набегающего края индуктора (рис. 2).

При принятой постановке задачи н.с. обмотки можно представить в виде двойного ряда Фурье:

Коб – обмоточный коэффициент;

L - ширина реактивной шины;

Общая длина индуктора;

– угол сдвига;

z = 0,5L – a – зона изменения индукции;

n – порядок гармоники по поперечной оси;

– порядок гармоник по продольной оси;

Решение находим для векторного магнитного потенциала токов . В области воздушного зазора А удовлетворяет следующим уравнениям:

Для ВЭ уравнения 2 уравнения имеют вид:

(5)

Решение уравнений (4) и (5) производим методом разделения переменных. Для упрощения задачи приведем лишь выражение для нормальной составляющей индукции в зазоре:

Рисунок 2 - Расчетная математическая модель ЛАД без учета

распределения обмотки

(6)

Полная электромагнитная мощность Sэм, передаваемая из первичной части в зазор и ВЭ, может быть найдена как поток нормальной Sу составляющей вектора Пойтинга через поверхность у =

(7)

где Р эм = R е S эм - активная составляющая, учитывающая механическую мощность Р2 и потери в ВЭ;

Q эм = I m S эм - реактивная составляющая, учитывает основной магнитный поток и рассеяние в зазоре;

С - комплекс, сопряжений с С 2 .

Сила тяги Fх и нормальная сила F у для ЛАД определяется, исходя из максвелловского тензора натяжений.

(8)

(9)

Для расчета цилиндрического ЛАД следует задать L = 2c, число гармоник по поперечной оси n = 0, т.е. по сути решение превращается в двухмерное, по координатам Х-У. Кроме того, эта методика позволяет корректно учесть наличие массивного стального ротора, что является ее преимуществом.

Порядок расчета характеристик при постоянном значении тока в обмотке:

Сила тяги Fх(S) рассчитывалась по формуле (8);
Механическая мощность

Р 2 (S) = F х (S) · = F х (S) ·2 1 (1 – S) ; (10)

Электромагнитная мощность S эм (S) = Р эм (S) + jQ эм (S) рассчитывалась согласно выражению, формуле (7)
Потери в меди индуктора

Р эл.1 = mI 2 r ф (11)

где r ф - активное сопротивление фазной обмотки;

К.п.д. без учета потерь в стали сердечника

(12)

Коэффициент мощности

(13)

где, есть модуль полного сопротивления последовательной схемы замещения (рис 2).

(14)

- индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки.

Таким образом, получен алгоритм расчёта статических характеристик ЛАД с короткозамкнутым вторичным элементом, позволяющий учитывать свойства активных частей конструкции на каждом зубцовом делении.

Разработанная математическая модель позволяет:

Применить математический аппарат для расчета цилиндрического линейного асинхронного двигателя, его статических характеристик на основе развёрнутых схем замещения электрических первичной и вторичной и магнитной цепей.
Провести оценку влияния различных параметров и конструкций вторичного элемента на тяговые и энергетические характеристики цилиндрического линейного асинхронного двигателя.
Результаты расчётов позволяют определить в первом приближении оптимальные основные технико-экономические данные при проектировании цилиндрических линейных асинхронных двигателей.

В третьей главе «Расчетно-теоретические исследования» приведены результаты численных расчётов влияния различных параметров и геометрических размеров на энергетические и тяговые показатели ЦЛАД с помощью математической модели описанной ранее.

Индуктор ЦЛАД состоит из отдельных шайб, расположенных в ферромагнитном цилиндре. Геометрические размеры шайб индуктора, принятые в расчёте, приведены на рис. 3. Количество шайб и длина ферромагнитного цилиндра определяются числом полюсов и числом пазов на полюс и фазу обмотки индуктора ЦЛАД.

За независимые переменные принимались параметры индуктора (геометрия зубцового слоя, число полюсов, полюсное деление, длина и ширина), вторичной структуры – тип обмотки, электрическая проводимость G2 = 2 d2, а также параметры обратного магнитопровода. При этом результаты исследования представлены в виде графиков.

Рисунок 3 - Устройство индуктора

1-Вторичный элемент; 2-гайка; 3-уплотнительная шайба; 4- катушка;

5-корпус двигателя; 6-обмотка,7-шайба.

Для разрабатываемого привода выключателя однозначно определены:

Режим работы, который может быть охарактеризован, как «пуск». Время работы – менее секунды (tв=0,07с), повторные пуски могут быть, но даже в этом случае общее время работы не превышает секунды. Следовательно, электромагнитные нагрузки – линейная токовая нагрузка, плотность тока в обмотках могут быть взяты существенно выше принимаемых для установившихся режимов электрических машин: А = (25…50) 103 А/м; J = (4…7) А/мм2. Поэтому тепловое состояние машины можно не рассматривать.
Напряжение питания обмотки статора U1 = 380 В.
Требуемое тяговое усилие Fх 1500 Н. При этом изменение усилия за время работы должно быть минимальным.
Жесткие ограничения габаритов: длина Ls 400 мм; внешний диаметр статора Д = 40…100 мм.
Энергетические показатели (, cos) не имеют значения.

Таким образом, задача исследований может быть сформулирована следующим образом: при заданных габаритах определить электромагнитные нагрузки значение конструктивных параметров ЛАД, обеспечивающих необходимое тяговое усилие в интервале 0,3 S 1 .

Исходя из сформированной задачи исследований, основным показателем ЛАД является тяговое усилие в интервале скольжений 0,3 S 1 . При этом сила тяги во многом зависит от конструктивных параметров (число полюсов 2р , воздушный зазор , толщина немагнитного цилиндра d 2 и его удельная электрическая проводимость 2 , электропроводность 3 и магнитная проницаемость 3 стального стержня, выполняющего функции обратного магнитопровода). При конкретных значениях указанных параметров тяговое усилие однозначно будет определяться линейной токовой нагрузкой индуктора, которая, в свою очередь, при U = const зависит от компоновки зубцового слоя: числа пазов на полюс и фазу q , числа витков в катушке W к и параллельных ветвей а.

Таким образом, сила тяги ЛАД представляется функциональной зависимостью

F х = f(2р, , , d 2 , 2 , 3 , 3 , q, W k , A, a) (16)

Очевидно, что среди этих параметров некоторые принимают только дискретные значения (2р, , q, W k , a ) причем число этих значений незначительно. Например, число полюсов можно рассматривать только 2р=4 или 2р=6 ; отсюда и вполне конкретные полюсные деления = 400/4 = 100 мм и 400/6 = 66,6 мм; q = 1 или 2; а = 1, 2 или 3 и 4.

С увеличением числа полюсов пусковое тяговое усилие падает значительно. Падение тягового усилия связано с уменьшением полюсного деления и магнитной индукции в воздушном зазоре В. Следовательно, оптимальным является 2р=4 (рис. 4).

Рисунок 4 - Тяговая характеристика ЦЛАД в зависимости от числа полюсов

Изменение воздушного зазора не имеет смысла, он должен быть минимальным по условиям функционирования. В нашем варианте =1 мм. Тем не менее, на рис. 5 показаны зависимости тягового усилия от воздушного зазора. Они наглядно показывают падение усилия с увеличением зазора.

Рисунок 5. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях воздушного зазора( =1,5мм и =2,0мм)

Одновременно растет рабочий ток I и снижаются энергетические показатели. Относительно свободно варьирующими остаются лишь удельная электропроводность 2 , 3 и магнитная проницаемость 3 ВЭ.

Изменение электропроводимости стального цилиндра 3 (рис. 6) на тяговое усилие ЦЛАД оказывает малосущественное значение до 5%.

Рисунок 6.

электропроводимости стального цилиндра

Изменение магнитной проницаемости 3 стального цилиндра (рис. 7) не приносит значительных изменений тягового усилия Fх=f(S). При рабочем скольжении S=0,3 тяговая характеристики совпадают. Пусковое тяговое усилие изменяется в пределах 3…4%. Следовательно, учитывая несущественное влияние 3 и 3 на тяговое усилие ЦЛАД, стальной цилиндр может быть изготовлен из магнитомягкой стали.

Рисунок 7. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значения х магнитной проницаемости (3 =1000 0 и 3 =500 0 ) стального цилиндра

Из анализа графических зависимостей (рис. 5, рис. 6, рис. 7) следует вывод: изменения проводимости стального цилиндра и магнитной проницаемости, ограничения немагнитного промежутка добиться постоянства тягового усилия Fх невозможно вследствие их малого влияния.

Рисунок 8. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях

электропроводимости ВЭ

Параметр, при помощи которого можно добиться постоянства тягового усилия F х = f(2р, , , d 2 , 2 , 3 , 3 , q, W k , A, a) ЦЛАД, является удельная электропроводимость 2 вторичного элемента. На рисунке 8 указаны оптимальные крайние варианты проводимостей. Эксперименты, проведенные на экспериментальной установке, позволили определить наиболее подходящую удельную проводимость в пределах =0,8·10 7 …1,2·10 7 См/м .

На рисунках 9…11 приведены зависимости F, I, при различных значениях числа витков в катушке обмотки индуктора ЦЛАД с экранированным вторичным элементов(d 2 =1 мм; =1 мм).

Рисунок 9. Зависимость I=f(S) при различных значениях числа

витков в катушке

Рисунок 10. Зависимость cos =f(S) Рисунок11.Зависимость = f(S)

Графические зависимости энергетических показателй от числа витков в кашках совпадают. Это говорит о том, что изменение числа витков в катушке не приводит к значительному изменению этих показателей. Это является причиной отсутствия внимания к ним.

Увеличение тягового усилия (рис. 12) по мере уменьшения числа витков в катушке объясняется тем, что увеличивается сечение провода при постоянных значениях геометрических размеров и коэффициента заполнения медью паза индуктора и незначительном изменении значения плотности тока. Двигатель в приводах выключателей работает в пусковом режиме менее секунды. Поэтому для привода механизмов с большим пусковым тяговым усилием и кратковременным режимом работы эффективнее использовать ЦЛАД с малым числом витков и большим сечением провода катушки обмотки индуктора.

Рисунок 12. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях числа

витков статорной катушки

Однако, при частых включениях таких механизмов необходимо иметь запас двигателя по нагреву.

Таким образом, на основании результатов численного эксперимента по вышеописанной методике расчёта можно с достаточной степенью точности определить тенденцию изменения электрических и тяговых показателей при различных переменных ЦЛАД. Основным показателем для постоянства тягового усилия является электропроводимость покрытия вторичного элемента 2. Изменяя её в пределах =0,8·10 7 …1,2·10 7 См/м, можно получить необходимую тяговую характеристику.

Следовательно, для постоянства тяги ЦЛАД достаточно задаться постоянными значениями 2р, , , 3 , 3 , q, A, a . Тогда, зависимость (16) можно преобразовать в выражение

F х = f(К 2 , W k ) (17)

где К=f(2р, , , d 2 , 3 , 3 , q, A, a) .

В четвертой главе изложена методика проведения эксперимента исследуемого способа привода выключателя. Экспериментальные исследования характеристик привода проводили на высоковольтном выключателе ВМП-10 (рис. 13).

Рисунок 13. Экспериментальная установка.

Также в этой главе определено инерционное сопротивление выключателя, которое выполнено с использованием методики, представленной в графоаналитическим методом, используя кинематическую схему выключателя. Определены характеристики упругих элементов. При этом в конструкцию масляного выключателя входят несколько упругих элементов, которые противодействуют включению выключателя и позволяют аккумулировать энергию для отключения выключателя:

Пружины ускорения F ПУ ;
Пружина отключения F ПО ;
Упругие силы, создаваемые пружинами контактов F КП .

Общее воздействие пружин, которые противодействуют усилию двигателя, можно описать уравнением:

F ОП (х)=F ПУ (х)+F ПО (х)+F КП (х) (18)

Усилие растяжения пружины в общем случае описывается уравнением:

F ПУ =kx+F 0 , (19)

где k - коэффициент жёсткости пружины;

F 0 - усилие предварительного натяжения пружины.

Для 2-х ускоряющих пружин уравнение (19) имеет вид (без предварительного натяжения):

F ПУ =2 k y x 1 (20)

где k y - коэффициент жёсткости ускоряющей пружины.

Усилие пружины отключения описывается уравнением:

F ПО =k 0 x 2 +F 0 (21)

где k 0 - жёсткость отключающей пружины;

х 1 , х 2 - перемещение;

F 0 - усилие предварительного натяжения отключающей пружины.

Усилие, необходимое для преодоления сопротивления контактных пружин, вследствие незначительного изменения диаметра розетки, принимаем постоянным и равным

F КП (х)=F КП (22)

Учитывая (20), (21), (22) уравнение (18) примет вид

F ОП =k y x 1 +k 0 x 2 +F 0 +F КП (23)

Упругие силы, соиздаваемые отключающей, ускоряющими и контактными пружинами, определяют при исследовании статических характеристик масляного выключателя.

F ВМС =f(В ) (24)

Для исследования статических характеристик выключателя была создана установка (рис. 13). Изготовлен рычаг с сектором окружности для устранения изменения длины плеча при изменении угла В вала привода. В результате при изменении угла плечо приложения усилия, создаваемое лебёдкой 1, остаётся постоянным

L=f()=const (25)

Для определения коэффициентов жесткости пружин k y , k 0 , были исследованы усилия сопротивления включения выключателя от каждой пружины.

Исследование проводилось в следующей последовательности:

Исследование статической характеристики при наличии всех пружин z 1 , z 2 , z 3 ;
Исследование статических характеристики при наличии 2-х пружин z 1 и z 3 (ускоряющие пружины);
Исследовать статические характеристики при наличии одной пружины z 2 (отключающая пружина).
Исследовать статические характеристики при наличии одной ускоряющей пружины z 1 .
Исследовать статические характеристики при наличии 2-х пружин z 1 и z 2 (ускоряющая и отключающая пружины).

Далее в четвертой главе проведено определение электродинамических характеристик. При протекании по контуру выключателя токов короткого замыкания возникают значительные электродинамические усилия, которые препятствуют при включении, значительно увеличивают нагрузку на приводной механизм выключателя. Проведен расчёт электродинамических сил, который выполнен графоаналитическим способом.

Также определено аэродинамическое сопротивление воздуха и гидравлического изоляционного масла по стандартной методике.

Кроме того, определены передаточные характеристики выключателя, к которым относятся:

Кинематическая характеристика h=f(в);
Передаточная характеристика вала выключателя в=f(1);
Передаточная характеристика рычага траверсы 1=f(2);
Передаточная характеристика h=f(xT)

где в –угол поворота вала привода;

1 –угол поворота вала выключателя;

2 –угол поворота рычага траверсы.

В пятой главе проведена оценка технико-экономическая эффективности использования ЦЛАД в приводах масляных выключателей, которая показала, что использование привода масляных выключателей на основе ЦЛАД позволяет повысить их надежность в 2,4 раза, снизить потребление электроэнергии в 3,75 раза, по сравнению с применение старых приводов. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения ЦЛАД в приводах масляных выключателей составляет 1063 руб./выкл. при сроке окупаемости капительных вложений менее, чем за 2,5 года. Применение ЦЛАД позволит снизить недоотпуск электроэнергии сельским потребителям на 834 кВтчас на один выключатель за 1 год, что приведет к повышению доходности энергоснабжающих компаний, которая составит для Удмуртской Республики около 2 млн. руб.

ВЫВОДЫ

Определена оптимальная тяговая характеристика для привода масляных выключателей, позволяющая развить ЦЛАД максимальное тяговое усилие, равное 3150 Н.
Предложена математическая модель цилиндрического линейного асинхронного двигателя на основе трехмерной модели, позволяющая учитывать краевые эффекты распределения магнитного поля.
Предложен способ замены электромагнитного привода на привод с ЦЛАД, позволяющий повысить надежность в 2,7 раза и уменьшить ущерб от недоотпуска электроэнергии энергоснабжающих компаний на 2 млн. руб.
Разработана физическая модель привода масляных выключателей типа ВМП ВМГ на напряжение 6…35 кВ, и даны их математические описания.
Разработан и изготовлен опытный образец привода, позволяющий реализовать необходимые параметры выключателя: скорость включения 3,8…4,2 м/с, выключения 3,5 м/с.
По результатам исследований оформлены технические задания и переданы в «Башкирэнерго» для разработки рабочей конструкторской документации для доработки ряда маломасляных выключателей типа ВМП и ВМГ.

Издания, указанные в перечне ВАК и приравненные к ним:

Баженов, В.А. Совершенствование привода высоковольтного выключателя. / В.А. Баженов, И.Р. Владыкин, А.П. Коломиец//Электронный научно-инновационный журнал «Инженерный вестник Дона» [Электронный ресурс]. - №1, 2012г. С. 2-3. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru.

Другие издания:

Пястолов, А.А. Разработка привода для высоковольтных выключателей 6…35 кВ. /А.А. Пястолов, И.Н.Рамазанов, Р.Ф.Юнусов, В.А. Баженов // Отчет о научно-исследовательской работе (х. № ГР 018600223428 инв. №02900034856. –Челябинск: ЧИМЭСХ,1990. – С. 89-90.
Юнусов, Р.Ф. Разработка линейного электропривода сельскохозяйственного назначения. /Р.Ф. Юнусов, И.Н. Рамазанов, В.В. Иваницкая, В.А. Баженов // ХХХIII научная конференция. Тезисы докладов.- Свердловск, 1990, С. 32-33.
Пястолов, А.А. Привод высоковольтного масляного выключателя. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов И.Н., Баженов В.А. // Информационный листок № 91-2. – ЦНТИ, Челябинск, 1991. С. 3-4.
Пястолов, А.А. Цилиндрический линейный асинхронный двигатель. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов И.Н., Баженов В.А. // Информационный листок № 91-3. – ЦНТИ, Челябинск, 1991. с. 3-4.
Баженов, В.А. Выбор аккумулирующего элемента для выключателя ВМП-10. Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии – 50 лет». / Ижевск, 2005. С. 23-25.
Баженов, В.А. Разработка экономичного привода масляного выключателя. Региональная научно-методическая конференция Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, Ижевск, 2004. С. 12-14.
Баженов, В.А. Совершенствование привода масляного выключателя ВМП-10. Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 25-летию факультета «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства» и кафедры «Электротехнология сельскохозяйственного производства». Ижевск 2003, С. 249-250.

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 2012г. Подписано в печать 24.04.2012г.

Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х84/ 16.

Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № 4187.

Изд-во ФГБОУ ВПО Ижевской ГСХА г. Ижевск, ул. Студенческая, 11

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Рыжков Александр Викторович. Анализ и выбор рациональных конструкций цилиндрического линейного двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением: диссертация... кандидата технических наук: 05.09.01 / Рыжков Александр Викторович; [Место защиты: Воронеж. гос. техн. ун-т].- Воронеж, 2008.- 154 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/404

Введение

Глава 1 Анализ теоретических и конструктивных направлений развития электрических машин линейного перемещения 12

1.1 Специфические особенности конструктивных реализаций линейных электрических машин 12

1.2 Анализ разрабатываемой конструкции цилиндрического линейного электродвигателя 26

1.3 Обзор методик проектирования линейных машин 31

1.4 Моделирование электромагнитных процессов на основе метода конечных элементов 38

1.5 Цель работы и задачи исследования 41

Глава 2 Алгоритмизация электромагнитного расчета бесконтактного цилиндрического линейного двигателя постоянного тока 43

2.1 Постановка задачи 43

2.2 Анализ цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с продольно - радиальной конструкцией магнитной системы 45

2.3 Алгоритм электромагнитного расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока 48

2.4 Оценка теплового состояния цилиндрического линейного двигателя 62

Глава 3 Моделирование и выбор рациональных совокупностей выходных параметров цилиндрического линейного электродвигателя постоянного тока 64

3.1 Синтез линейного цилиндрического двигателя постоянного тока на основе критериев максимальных удельных тяговых, энергетических показателей 64

3.2 Моделирование цилиндрического линейного двигателя постоянного тока методом конечных элементов 69

3.2.1 Описание исходных данных для моделирования 69

3.2.2 Анализ результатов моделирования 78

Глава 4 Практическая реализация и результаты экспериментальных исследований цилиндрических линейных двигателей 90

4.1 Макетные образцы цилиндрических линейных двигателей постоянного тока 90

4.1.1 Конструктивные компоненты архитектуры линейного двигателя 90

4.1.2 Макетная реализация цилиндрических линейных электродвигателей 95

4.1.3 Структура блока управления цилиндрическим линейным электродвигателем 96

4.2 Результаты экспериментальных исследований разработанных вариантов цилиндрических линейных электродвигателей 100

4.2.1 Исследование теплового состояния линейного двигателя 101

4.2.2 Экспериментальные исследования индукции в зазоре опытных образцов линейных двигателей 103

4.2.3 Исследования электромагнитной тяговой силы удержания от тока в обмотке 107

4.2.3 Исследование зависимости тяговой силы разработанных линейных электродвигателей от величины перемещения подвижной части 110

4.2.3 Механические характеристики разработанных образцов линейных двигателей 118

Выводы 119

Заключение 120

Список литературы 122

Приложение А 134

Приложение Б 144

Приложение В 145

Введение к работе

Актуальность темы.

В настоящее время все большее распространение получают цилиндрические линейные двигатели, в качестве исполнительных элементов электроприводов специального назначения, реализуемых в рамках электротехнических комплексов, используемых, в частности, в космической, медицинской технике. При этом наличие непосредственного прямого действия исполнительного органа в цилиндрических линейных двигателях определяет их преимущество относительно плоских линейных двигателей. Это обусловлено отсутствием сил одностороннего притяжения, а также меньшей инертностью подвижной части, что определяет их высокие динамические качества.

Следует отметить, что в области разработки средств анализа конструктивных вариантов линейных двигателей имеются положительные результаты, полученные как отечественными (Вольдек А.И., Свечарник Д.В., Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н.), так и зарубежными исследователями (Ямамура, Wang J., Jewell Geraint W., Howe D.). Однако данные результаты нельзя рассматривать в качестве основы создания универсальных средств, позволяющих осуществлять выбор оптимальных конструктивных вариантов линейных электродвигателей применительно к конкретной объектной области. Это обуславливает необходимость проведения дополнительных исследований в области проектирования специальных линейных двигателей цилиндрической архитектуры с целью получения рациональных конструктивных вариантов, носящих объектно-ориентированный характер.

Таким образом, на основании вышеизложенного, актуальность темы исследования продиктована необходимостью проведения дополнительных исследований, ориентированных на разработку средств моделирования и анализа цилиндрических линейных двигателей с магнитоэлектрическим возбуждением с целью получения рациональных конструктивных решений.

Тематика диссертационного исследования соответствует одному из основных научных направлений ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы (Разработка и.исследование интеллектуальных и информационных технологий проектирования и управления сложными промышленными комплексами и системами. ГБ НИР № 2007.18).

Цель и задачи исследования. Целью работы является создание комплекса средств анализа конструкций цилиндрических линейных двигателей постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением, позволяющих осуществлять выбор их рациональных вариантов, ориентированных на использовании в рамках электроприводов специального назначения, реализующих предельные значения удельных энергетических показателей и уровня динамических свойств.

В соответствии с данной целью, в работе поставлены и решены следующие задачи:

анализ рациональных конструкций цилиндрических линейных двигателей постоянного тока, обеспечивающих в рамках электроприводов специального назначения предельные значения удельных энергетических показателей;

проведение теоретических исследований процессов, протекающих в линейных бесконтактных двигателях постоянного тока, как основы построения алгоритма электромагнитного расчета цилиндрического линейного электродвигателя;

разработка алгоритма электромагнитного расчета с учетом особенностей, обусловленных архитектурой магнитных систем цилиндрического линейного двигателя;

разработка структур конечно-элементных моделей для анализа электромагнитных процессов применительно к условиям цилиндрического линейного двигателя;

Проведение экспериментальных исследований опытных образцов, под
тверждающих адекватность аналитических моделей и разработанного алгорит
ма проектирования цилиндрических линейных двигателей.

Методы исследований. В работе использованы методы теории поля, теории электрических цепей, теории проектирования электрических машин, вычислительной математики, физического эксперимента.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

предложена конструкция магнитной цепи цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с аксиально-намагниченными постоянными магнитами в составе магнитной системы с радиальной направленностью намагниченности, отличающаяся новой архитектурой построения подвижной части линейного электродвигателя;

разработан алгоритм расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с аксиально-намагниченными постоянными магнитами в составе магнитной системы с радиальной направленностью намагниченности, отличающийся учетом особенностей, обусловленных архитектурой построения подвижной части цилиндрического линейного электродвигателя;

разработаны структуры конечно-элементных моделей, отличающиеся специальным набором граничных условий в краевых зонах;

разработаны рекомендации по выбору рациональных проектных решений, направленных на повышение удельных энергетических показателей и динамических качеств цилиндрических линейных электродвигателей постоянного тока на основе количественных данных численных расчетов, а также результатов экспериментальных исследований опытных образцов.

Практическая значимость работы. Практическую ценность диссертационной работы составляют:

Алгоритм проектирования цилиндрических линейных двигателей
малой мощности;

конечно-элементные модели в двумерном анализе цилиндрических линейных двигателей, позволяющие сопоставлять удельные характеристики двигателей различных конструктивов магнитных систем;

Предложенные модели и алгоритм могут быть использованы в качестве математической основы создания специальных средств прикладного программного обеспечения систем автоматизированного проектирования бесконтактных двигателей постоянного тока.

Реализация результатов работы. Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы на предприятии «НИИ Механотроники - Альфа» при выполнении НИР «Исследование путей создания современных высокоресурсных механотронных исполнительных приводов различных видов движения в вариациях с цифровым информационным каналом и бездатчиковым управлением при идентификации фазовых координат, интегрированных в системы жизнеобеспечения космических аппаратов (КА)», НИР «Исследование путей создания «интеллектуальных» электроприводов линейного перемещения с управлением по вектору состояния для систем автоматики КА», НИОКР «Исследование и разработка интеллектуальных меха-тронных движителей линейного прецизионного перемещения с нетрадиционной модульной компоновкой для промышленного, медицинского и специального оборудования нового поколения», а также внедрены в учебный процесс кафедры «Электромеханических систем и электроснабжения» ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" в лекционный курс «Специальные электрические машины».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на региональной научно-технической конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве"

(Воронеж 2006, 2007), на межвузовской студенческой научно-технической

конференции "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники" (Воронеж, 2007), на всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2008), в международной школе-конференции «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж, 2008), на I международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (г. Невинномысск, 2008), на научно-техническом совете «Научно-исследовательского и проектно-конструкторского института Механотроники-Альфа» (Воронеж, 2008), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов кафедры автоматики и информатики в технических системах ВГТУ (Воронеж, 2006-2008). Кроме того, результаты диссертации опубликованы в сборниках научных трудов «Электротехнические комплексы и системы управления», «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники» (г. Воронеж 2005-2007 г.), в журнале «Электротехнические комплексы и системы управления» (г. Воронеж 2007-2008 г.), в Вестнике Воронежского государственного технического университета (2008 г).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 - в изданиях, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования, материал изложен на 145 страницах и содержит 53 рисунка, 6 таблиц и 3 приложения.

В первой главе проведен обзор и анализ современного состояния в области разработки линейных электродвигателей прямого действия. Выполнена классификация линейных электродвигателей прямого действия по принципу действия, а также по основным конструктивным исполнениям. Рассмотрены вопросы теории разработки и проектирования линейных двигателей с учетом особенностей линейной машины. Обосновано использование метода конечных элементов, как современного инструмента проектирования сложных электро-

механических систем. Поставлена цель работы и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены вопросы формирования методики проектирования бесконтактных цилиндрических линейных двигателей постоянного тока, представлен электромагнитный расчет различных конструктивных реализаций магнитных систем линейного двигателя, содержащий следующие этапы: выбор основных размеров, расчёт мощности; расчёт машинной постоянной; определение тепловых и электромагнитных нагрузок; расчёт обмоточных данных; расчет электромагнитной тяговой силы; расчет магнитной системы, выбор размеров постоянных магнитов. Произведен оценочный расчет процесса теплообмена линейного электродвигателя.

В третьей главе приведены выражения универсального критерия оптимизации позволяющего, выполнить сравнительный анализ двигателей постоянного и переменного тока малой мощности с учётом требований по энергетике и быстродействию. Сформированы положения методики моделирования цилиндрического линейного двигателя постоянного тока методом конечных элементов, определены основные допущения, на которых построен математический аппарат для анализа моделей указанных типов двигателей. Получены двумерные конечно-элементные модели для цилиндрического линейного двигателя для различных конструкций подвижной части: с псевдо-радиальной намагниченностью магнитов-сегментов на штоке и с аксиально-намагниченными магнитами-шайбами.

В четвертой главе представлена практическая разработка образцов цилиндрических линейных синхронных двигателей, показана схемотехническая реализация блока управления цилиндрическим линейным двигателем. Освещены принципы управления указанным электродвигателем. Продемонстрированы результаты экспериментальных исследований цилиндрического линейного синхронного двигателя с различной конструкцией магнитной системы подвижной части, включающие: исследования тепловых режимов электродвигателя,

зависимость тягового усилия электродвигателя от токов и перемещения. Проведено сопоставление результатов моделирования методом конечных элементов с физическим экспериментом, оценка полученных параметров линейного двигателя с современным техническим уровнем.

В заключении изложены основные результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Анализ разрабатываемой конструкции цилиндрического линейного электродвигателя

Линейный электропривод с управлением по вектору состояния предъявляет ряд конкретных требований к конструкции и работе ЦЛСД. Поток энергии из сети через управляющее устройство поступает в якорную обмотку, что обеспечивает правильную последовательность взаимодействия электромагнитного поля обмотки с полем постоянных магнитов подвижного штока согласно адекватным законам коммутации. Если на штоке расположен высококоэрцитивный постоянный магнит, то реакция якоря практически не искажает основного магнитного потока. Качество электромеханического преобразования энергии определяется не только рационально выбранной магнитной системой, но и соотношением энергетических параметров марки магнита и линейной нагрузки якорной обмотки статора. Расчет электромагнитного поля МКЭ и поиск рациональной конструкции электрической машины методом численного эксперимента, направленного при помощи полученного критерия оптимизации позволяет сделать это с минимальными затратами средств.

С учетом современных требований в отношении ресурса, диапазона регулирования и позиционирования компоновка ЦЛСД строится по классическому принципу динамического взаимодействия магнитного потока возбуждения подвижного штока с магнитным потоком якорной обмотки беспазового статора.

Предварительный технический анализ разработанной конструкции позволил установить следующее:

Вопрос энергетики двигателя, зависит от числа фаз и схемы включения обмотки якоря, при этом важную роль играет форма результирующего магнитного поля в воздушном зазоре и формы напряжения, подводимого к фазам обмотки;

На подвижном штоке располагаются редкоземельные постоянные магниты с псевдо - радиальной структурой намагничивания, каждый из которых состоит из шести сегментов, объединённых в конструкцию полой цилиндрической формы;

В разработанной конструкции возможно обеспечить технологическое единство рабочего механизма и штока ЦЛСД;

Подшипниковые опоры с оптимизированными коэффициентами нагрузок обеспечивают необходимый качественный запас по уровню гарантированной наработки и диапазону регулирования скорости перемещения штока;

Возможность прецизионной сборки с минимальными допусками и обеспечение необходимой селективности сопрягаемых поверхностей деталей и узлов позволяет повысить ресурс работы;

Возможность совмещения поступательного и вращательного видов движения в единой геометрии двигателя позволяет расширить его функциональные возможности и расширить область применения.

Якорь ЦЛСД представляет собой цилиндр, выполненный из магнитомяг-кой стали, то есть имеет беспазовую конструкцию. Магнитопровод ярма якоря выполнен из шести модулей - втулок, соединяющихся внахлёст и выполненных из стали 10 ГОСТ 1050-74. Во втулках имеются отверстия для выводных концов катушек двухфазной обмотки якоря. Втулки, собранные в пакет, образуют, по существу, ярмо для проведения основного магнитного потока и получения требуемой величины магнитной индукции в суммарном немагнитном рабочем зазоре. Беспазовая конструкция якоря наиболее перспективна с точки зрения обеспечения высокой равномерности скорости в области минимальных значений диапазона регулирования линейной скорости, а также точности позиционирования подвижного штока (в немагнитном зазоре пульсации электромагнитной тяговой силы зубцового порядка отсутствуют). Катушки якорной обмотки имеют барабанную форму, витки обмотки из провода с самоспекаемой изоляцией ПФТЛД или с эмалевой изоляцией ПЭТВ ГОСТ 7262-54, пропитанного термореактивным компаундом на основе эпоксидной смолы, намотаны на алюминиевый каркас, обладающий жёсткостью формы и рассчитанный на температурный режим до 200 С. После формовки и полимеризации пропиточного компаунда катушка представляет собой жесткий монолитный узел. Подшипниковые щиты собираются вместе с модулями ярма якоря. Корпуса подшипниковых щитов изготовлены из алюминиевого сплава. В корпусах подшипниковых щитов установлены втулки из бронзы.

По результатам проведенного патентного поиска были определены две конструктивные реализации магнитных систем, отличающиеся главным образом магнитной системой подвижной части цилиндрического линейного двигателя.

Подвижный шток базовой конструкции электродвигателя содержит редкоземельные постоянные магниты N35, между которыми установлены неферромагнитные делительные шайбы, имеет 9 полюсов (из них в область активной длины машины перекрывают не более 4-х). Конструкция машины обеспечивает симметрирование магнитного поля от постоянных магнитов с целью снижения первичного продольного краевого эффекта. Высококоэрцитивные магниты обеспечивает требуемый уровень индукции в воздушном зазоре. Постоянные магниты защищены неферромагнитной гильзой, обеспечивающей функции направляющей и имеющие заданные свойства поверхности скольжения. Материал гильзы - направляющей должен быть неферромагнитным, то есть втулка не должна экранировать магнитное поле обмотки и модулей магнитов, потокосцепление которых должно быть максимальным. В то лее время гильза должна обладать заданными механическими свойствами, гарантирующими высокий ресурс работы и малый уровень механических потерь на трение в линейных опорах - подшипниках. В качестве материала гильзы предлагается использовать коррозионно стойкую и жаропрочную сталь.

Следует отметить, что повышение удельных энергетических показателей обычно достигается за счет использования постоянных магнитов, обладающих большой магнитной энергией, в частности из сплавов с редкоземельными металлами. В настоящее время в подавляющем большинстве лучших изделий применены магниты неодим - железо - бор (Nd-Fe-В) с присадками из таких материалов, как диспрозий, кобальт, ниобий, ванадий, галлий; и т.д. Добавление названных материалов ведет к улучшению стабильности магнита с температурной точки зрения. Эти модифицированные магниты могут быть использованы до температур +240С.

Так как втулки постоянных магнитов должны быть намагничены ради-ально, в ходе их изготовления возникла технологическая проблема, связанная с необходимостью обеспечить требуемый поток для намагничивания и малыми геометрическими размерами. Ряд разработчиков постоянных магнитов , отмечали, что их предприятия не выпускают радиально намагниченные постоянные магниты из редкоземельных материалов. В результате было принято решение разработать втулку постоянного магнита в виде магнита - сборки из шести криволинейных призм - сегментов.

Путем разработки, а затем сравнения энергетических показателей магнитных систем оценим энергетические возможности, а также рассмотрим соответствие показателей электродвигателя современному техническому уровню.

Схема цилиндрического линейного синхронного двигателя с продольно радиальной магнитной системой показана на рисунке 1.8.

В результате сопоставления и анализа уровня энергетических показателей двух, разработанных в ходе НИР, конструктивных реализаций магнитных систем, полученных в результате физического эксперимента, адекватность аналитических, численных методов расчета и проектирования рассматриваемого типа линейного электродвигателя будет подтверждена в последующих разделах.

Алгоритм электромагнитного расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока

Основой для расчёта ЦЛСД являются следующие данные:

Габаритные размеры;

Длина хода подвижной части (штока)

Синхронная скорость штока Vs, м/с;

Критическое (максимальное) значение электромагнитной тяговой силы FT Н;

Напряжение питания /, В;

Режим работы двигателя (продолжительный, ПВ);

Диапазон температуры окружающей среды АТ,С;

Исполнение двигателя (защищенное, закрытое).

В индуктивных электрических машинах энергия электромагнитного поля концентрируется в рабочем зазоре и зубцовой зоне (в ЦЛДПТ с гладким якорем зубцовая зона отсутствует), поэтому выбор объёма рабочего зазора при синтезе электрической машины имеет первостепенное значение.

Удельная плотность энергии в рабочем зазоре может быть определена как отношение активной мощности машины Рг к объёму рабочего зазора. В основе классических методов расчёта электрических машин лежит выбор машинной постоянной СА (постоянной Арнольда), связывающей основные конструктивные размеры с допустимыми электромагнитными нагрузками (им соответствует предельная тепловая нагрузка)

Для обеспечения скольжения штока на постоянные магниты одевается гильза толщиной Аг Величина Аг зависит от технологических факторов и выбирается минимально возможной.

Линейная синхронная скорость штока ЦЛДПТ и эквивалентная синхронная частота вращения связаны соотношением

Для обеспечения требуемого значения тяговой силы при минимальном значении постоянной времени и отсутствии фиксирующей силы (уменьшении её до приемлемого значения) предпочтение отдано беззубцовой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов на основе высокоэнергетических магнитотвердых материалов (неодим - железо - бор). При этом двигатель имеет рабочий зазор, достаточный для размещения обмотки.

Основная задача расчета магнитной системы состоит в определении конструктивных параметров, оптимальных по энергетическим параметрам, силе тяги и другим показателям, обеспечивающим в рабочем зазоре заданную величину магнитного потока. На начальной стадии проектирования наиболее важным является нахождение рационального соотношения между толщинами спинки магнита и катушки.

Расчет магнитной системы с постоянными магнитами связан с определением кривой размагничивания и магнитных проводимостей отдельных участков. Постоянные магниты неоднородны, картина поля в зазоре имеет сложный характер из - за продольного краевого эффекта и потоков рассеяния. Поверхность магнита не является эквипотенциальной, отдельные участки в зависимости от положения относительно нейтральной зоны имеют неодинаковые магнитные потенциалы. Это обстоятельство затрудняет расчет магнитных проводимостей рассеяния и потока рассеяния магнита.

В целях упрощения расчета принимаем допущение о единственности кривой размагничивания, а действительный поток рассеяния, зависящий от распределения МДС по высоте магнита, заменяем расчетным, который проходит по всей высоте магнита и целиком выходит из поверхности полюса.

Существует ряд графоаналитических методов расчета магнитных цепей с постоянными магнитами, из которых наибольшее применение в инженерной практике нашли метод размагничивающего фактора, применяемый для расчета прямых магнитов без арматуры; метод отношений, используемый для расчета магнитов с арматурой, а также метод электрической аналогии, применяемый при расчёте разветвленных магнитных цепей с постоянными магнитами.

Точность дальнейших расчётов в существенной степени зависит от погрешностей, связанных с определением состояния магнитов с полезной удельной энергией со з.опт, развиваемой ими в немагнитном рабочем зазоре 8v. Последняя должна соответствовать максимуму произведения индукции результирующего поля в рабочем зазоре на удельную энергию магнита.

Распределение индукции в рабочем зазоре ЦЛСД наиболее точно можно определить в ходе конечно- элементного анализа конкретной расчётной модели. На начальном этапе расчёта, когда речь идёт о выборе некоторой совокупности геометрических размеров, обмоточных данных и физических свойств материалов, усреднённым эффективным значением индукции в рабочем зазоре Bscp целесообразно задаваться. Адекватность задания В3ср в пределах рекомендуемого интервала будет фактически определять трудоёмкость поверочного электромагнитного расчёта машины методом конечных элементов.

Применяемые магнитотвердые редкоземельные магниты на основе редкоземельных металлов имеют практически релейную кривую размагничивания, поэтому в широком диапазоне изменения напряжённости магнитного поля величина соответствующей индукции изменяется сравнительно мало.

Для решения задачи определения высоты спинки магнита-сегмента hM на первом этапе синтеза ЦЛСД предлагается следующий подход.

Описание исходных данных для моделирования

В основе электромагнитного расчета численным методом лежит модель, включающая в себя геометрию машины, магнитные и электрические свойства её активных материалов, режимные параметры и действующие нагрузки. В ходе расчёта определяются индукции и токи в сечениях модели. Затем определяются силы и моменты, а также энергетические показатели.

Построение модели включает в себя определение системы основных допущений, устанавливающую идеализацию свойств физических и геометрических характеристик конструкции и нагрузок, на основе которой строится модель. Конструкция машины, изготовленная из реальных материалов, имеет ряд особенностей, включающих в себя несовершенство формы, разброс и неоднородность свойств материалов, (отклонение их магнитных и электрических свойств от установленных значений) и т.п.

Типичным примером идеализации реального материала является присвоение ему свойств однородности. В ряде конструкций линейных двигателей такая идеализация невозможна, т.к. она приводит к неверным результатам расчета. Примером может служить цилиндрический линейный синхронный двигатель с неферромагнитным токопроводящим слоем (гильзой), в котором электрические и магнитные свойства меняются скачкообразно при переходе границы раздела материалов.

Помимо насыщения на выходные характеристики двигателя большое влияние оказывают поверхностный и продольный краевой эффект. При этом одной из главных задач становится задание начальных условий на границах активных областей машины.

Таким образом, модель может быть наделена лишь частью свойств реальной конструкции, поэтому её математическое описание упрощено. От того, на сколько удачно выбрана модель, зависит трудоёмкость расчета и точность его результатов.

Математический аппарат для анализа моделей цилиндрических линейных синхронных двигателей базируется на основе уравнений электромагнитного поля и построен на следующих основных допущениях :

1. Электромагнитное поле является квазистационарным, так как токи смещения и запаздывание в распространении электромагнитной волны в пределах области поля пренебрежимо малы.

2. По сравнению с токами проводимости в проводниках, токи проводимости в диэлектриках и конвекционные токи, возникающие при движении зарядов вместе со средой, пренебрежимо малы, в связи с чем последними можно пренебречь. Так как токи проводимости, токи смещения и конвекционные токи в диэлектрике, заполняющем зазор между статором и ротором не учитываются, скорость перемещения диэлектрика (газа или жидкости) в зазоре не оказывает. влияния на электромагнитное поле.

3. Величина ЭДС электромагнитной индукции много больше ЭДС Холла, Томпсона, контактной и т.д., в связи с чем последними можно пренебречь.

4. При рассмотрении поля в неферромагнитной среде относительная магнитная проницаемость этой среды принимается равной единице.

Следующим этапом расчета является математическое описание поведения модели, или построение математической модели.

Электромагнитный расчёт МКЭ состоял из следующих этапов:

1. Выбор типа анализа и создание геометрии модели для МКЭ.

2. Выбор типов элементов, ввод свойств материалов, назначение свойств материалов и элементов геометрическим областям.

3. Разбиение областей модели на сетку конечных элементов.

4. Приложение к модели граничных условий и нагрузок.

5. Выбор вида электромагнитного анализа, установка опций решателя и численное решение системы уравнений.

6. Использование макросов постпроцессора для расчёта интересующих интегральных величин и анализ результатов.

Этапы 1-4 относится к препроцессорной стадии расчёта, этап 5 - к процессорной стадии, этап 6 - к постпроцессорной стадии.

Создание конечно - элементной модели является трудоемким этапом расчёта МКЭ, т.к. связано с воспроизведением по возможности более точной геометрии объекта и описанием физических свойств его областей. Обоснованное приложение нагрузок и граничных условий также представляет определенные трудности.

Численное решение системы уравнений выполняется автоматически и при всех прочих равных условиях определяется аппаратными ресурсами используемой вычислительной техники. Анализ результатов несколько облегчён имеющимися в составе используемых программных средств (ПС) инструментальными средствами визуализации, вместе с тем это один из наименее формализованных этапов, имеющий самую большую трудоёмкость.

Определялись следующие параметры: комплексный векторный потенциал магнитного поля А, скалярный потенциал Ф, величина индукции магнитного поля В и напряжённость Н. Анализ переменных во времени полей использовался для нахождения влияния вихревых токов в системе.

Решение (7) для случая переменного тока имеет вид комплексного потенциала (характеризуется амплитудой и фазовым углом) для каждого узла модели. Магнитную проницаемость и электрическую проводимость материала области можно задать как константу или как функцию от температуры. Используемые ПС позволяют применить на стадии постпроцессора соответствующие макросы для вычисления ряда важнейших параметров: энергии электромагнитного поля, электромагнитных сил, плотности вихревых токов, потерь электрической энергии и т.д.

Следует подчеркнуть, в ходе конечно - элементного моделирования главной задачей является определение структуры моделей: выбор конечных элементов с конкретными базовыми функциями и степенями свободы, описание физических свойств материалов в различных областях, задание приложенных нагрузок, а также начальных условий на границах.

Как следует из основной концепции МКЭ, все части модели делятся на множества конечных элементов, соединенных между собой в вершинах (узлах). Используются конечные элементы достаточно простой формы, в которых параметры поля определяется с помощью кусочно-полиномиальных аппроксимирующих функций.

Границы конечных элементов при двумерном анализе могут быть кусочно-линейными (элементы первого порядка) или параболическими (элементы второго порядка) . Кусочно-линейные элементы имеют прямые стороны и узлы только в углах. Параболические элементы могут иметь промежуточный узел вдоль каждой из сторон. Именно благодаря этому стороны элемента могут быть криволинейными (параболическими). При равном количестве элементов параболические элементы дают большую точность вычислений, т. к. они более точно воспроизводят криволинейную геометрию модели и имеют более точные функции формы (аппроксимирующие функции). Однако расчет с применением конечных элементов высоких порядков требует больших аппаратных ресурсов и большего машинного времени.

Существует большое количество используемых типов конечных элементов, среди которых есть элементы, конкурирующие между собой, при этом для различных моделей нет математически обоснованного решения, как эффективнее разбить область .

Поскольку для построения и решения рассматриваемых дискретных моделей вследствие большого объема перерабатываемой информации используется компьютер, важным является условие удобства и простоты вычислений, что и определяет выбор допустимых кусочно-полиномиальных функций. При этом важнейшее значение приобретает вопрос о точности, с которой они могут аппроксимировать искомое решение.

В рассматриваемых задачах неизвестными являются значения векторного магнитного потенциала А в узлах (вершинах) конечных элементов соответствующих областей конкретной конструкции машины, при этом теоретическое и численное решение совпадают в центральной части конечного элемента , поэтому максимальная точность вычисления магнитных потенциалов и плотностей токов будет в центре элемента.

Структура блока управления цилиндрическим линейным электродвигателем

Блок управления реализует программные алгоритмы управления линейного электропривода. Функционально блок управления разбит на две части: информационную и силовую. Информационная часть содержит микроконтроллер с цепями ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов, а также схему обмена данных с компьютером. Силовая часть содержит схему преобразования ШИМ-сигналов в напряжения фазных обмоток.

Схема электрическая принципиальная блока управления линейным электродвигателем представлена в приложении Б.

Для организации питания информационной части блока управления используются следующие элементы:

Формирование питания стабилизированным напряжением +15 В (питание микросхем DD5, DD6): фильтрующие конденсаторы СІ, С2, стабилизатор + 15 В, защитный диод VD1;

Формирование питания стабилизированным напряжением +5 В (питание микросхем DD1, DD2, DD3, DD4): резистор R1 для снижения тепловых нагрузок стабилизатора, фильтрующие конденсаторы СЗ, С5, С6, регулируемый делитель напряжения на резисторах R2, R3, сглаживающий конденсатор С4, регулируемый стабилизатор +5 В.

Разъем ХР1 служит для подключения датчика положения. Через разъем ХР2 осуществляется программирование микроконтроллера. Резистор R29 и транзистор VT9 автоматически формируют сигнал логической «1» в цепи сброса в режиме управления и не участвует в работе блока управления в режиме программирования.

Разъем ХРЗ, микросхема DD1, конденсаторы С39, С40, С41, С42 осуществляют передачу данных между персональным компьютером и блоком управления в обоих направлениях.

Для образования обратной связи по напряжению каждой мостовой схемы используются следующие элементы: делители напряжения R19-R20, R45-R46, усилитель DD3, фильтрующие RC-цепочки R27, R28, С23, С24.

Реализованные, с помощью микросхемы DD4, логические схемы позволяют реализовать двухполярную симметричную коммутацию одной фазы двигателя с помощью одного ШИМ-сигнала, подаваемого непосредственно с ножки микроконтроллера.

Для реализации необходимых законов управления двухфазным линейным электродвигателем используется раздельное формирование токов в каждой обмотке статора (неподвижной части) с помощью двух мостовых схем, обеспечивающие выходной ток до 20 А в каждой фазе при напряжении питания от 20 В до 45 В. В качестве силовых ключей использованы МОП-транзисторы VT1-VT8 IRF540N фирмы International Rectifier (США), имеющие достаточно низкое сопротивление сток-исток RCH = 44 мОм, приемлемую цену и наличие отечественного аналога 2П769 фирмы ВЗПП (Россия), изготавливаемого с приемкой ОТК иВП.

Специфические требования к параметрам управляющего сигнала МОП-транзистора: сравнительно большое напряжение затвор-исток, необходимое для полного включения МОП-транзистора, для обеспечения быстрой коммутации необходимо изменять напряжение на затворе в течение весьма малого времени (доли микросекунд), значительные токи перезарядки входных емкостей МОП-транзистора, возможность их повреждения при снижении управляющего напряжения в режиме «включено», как правило, диктуют необходимость использования дополнительных элементов кондиционирования входных сигналов управления.

Для быстрого перезаряда входных емкостей МОП-транзисторов импульсный ток управления должен составлять примерно от 1А для приборов малой и до 7А у транзисторов большой мощности. Согласование малоточных выходов микросхем общего применения (контроллеров, ТТЛ или КМОП - логики, и т.п.) с высокоемкостным затвором осуществляется с помощью специальных импульсных усилителей (драйверов).

Проведенный обзор драйверов позволил выявить два драйвера Si9978DW фирмы Vishay Siliconix (США) и IR2130 фирмы International Rectifier (США) наиболее подходящих для управления мостом МОП-транзиторов.

Данные драйверы имеют встроенную защиту транзисторов от пониженного напряжения питания, гарантируя при этом необходимое напряжение питания на затворах МОП-транзисторов, совместимы с 5-вольтовой КМОП- и ТТЛ-логикой, обеспечивают очень большие скорости переключения, малую мощность рассеивания и могут работать в бутстрепном режиме (на частотах от десятков Гц до сотен кГц), т.е. не требуют дополнительных взвешенных источников питания, что позволяет получить схему с минимальным количеством элементов.

Помимо этого эти драйверы имеют встроенный компаратор, позволяющий реализовать схему защиты от токовой перегрузки, и встроенную схема исключения протекания сквозных токов во внешних МОП-транзисторах.

В качестве драйверов блока управления использованы микросхемы IR2130 фирмы International Rectifier DD5, DD6, так как при прочих равных технических условиях более широко распространены на российском рынке электронных компонентов и имеется возможность их розничного приобретения.

Датчик тока мостовых схем реализован с помощью резисторов R11, R12, R37, R38, выбранными для реализации токоограничения на уровне 10 А.

С помощью встроенного в драйвер усилителя тока, резисторов R7, R8, ЮЗ, R34, фильтрующих RC-цепочек R6, С18-С20, R30, С25-С27 реализуется обратная связь по фазным токам электродвигателя. Компоновка макетного образца панели блока управления линейным электроприводом прямого действия приведена на рисунке 4.8.

Для реализации алгоритмов управления и быстрой обработки поступающей информации в качестве микроконтроллера DD2 использован цифровой микроконтроллер AVR ATmega 32 семейства Mega производства фирмы «At-mel». Микроконтроллеры семейства Mega являются 8-разрядными микроконтроллерами. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление.

Автореферат диссертации по теме ""

На правах рукописи

БАЖЕНОВ ВЛАДИМИР АРКАДЬЕВИЧ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В ПРИВОДЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование сельском хозяйстве

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального ^разоватш «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ В1Ю Ижевская ГСХА)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

1 у Владыкин Иван Ревович

Официальные оппоненты: Воробьев Виктор

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО МГАУ

им. В.П. Горячкина

Бекмачев Александр Егорович кандидат технических наук, руководитель проектов ЗАО «Радиант-Элком»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетном образовательном учреждение вы с ше го п ро ф е с с и о к ал ы I о го образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Чувашская ГСХА)

Зашита состоится «28» мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА по адресу: 426069,

г. Ижевск, ул. Студенческая, 11, ауд. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Размещен на сайте: туюл^вЬа/ги

Ученый секретарь диссертационного совета

НЛО. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

носгь комплексной автоматизации сельских электрических с^еГнanttT"

исследованиях Сулимова М.И., Гусева B.C. отмечено ™ ^

действия релейной защиты и автоматики /рчаГIV З0...35% случаев

творительного состояния приводГХчем до TsJTJ™

долю ВМ 10...35 кВ с,nv«,m„n mv"; Дефектов приходится на

Н.М., Палюга M^AaSTZ^rZZr^Tsy

ского повторного включения ГАПШ " °ТКа30В астома™че-

привода в целом

■ ПП-67 ПП-67К

■ВМП-10П КРУН К-13

"ВМПП-ЮП КРУН К-37

Рисунок I - Анализ отказов в электроприводах ВМ 6.. 35 кВ ВИЯ, они потребляют большую мощность и требуют установки громоздкой

отказ механизма отключения, о.е.

00» ПП-67 ПП-67

■ ВМП-10П КРУ| К-13

■ ВМПП-ЮП КРУН К-37 ПЭ-11

- «„,„«, и зарядного устройства или же выпрямительного уст-кумуляторнои батар 3^ДД°0рМЦ0М мощностью 100 кВА. В силу ука-

ройства со "п^^ прнво«о нашли широкого применения.

3аШЮНаРГбьш^"проведи ан™ и"з достоинств „ недоспшюв различных приво-

довдляВМ. „„_,.,* ппиводов постоянного тока: невозмож-

Недостатки эле.сгромап^^^^^ включающего электромаг-ность регулировки СК0Р°^ДХ ^ ^эл^^.апнпв, которая увеличивает Ш1Та> большая „нду^ивносгь обмотки я от поло.

время включения выключателя ^-¿^"^/^^.„.оро включения, аккуму-жения сердечника,что привод.п-к мощности и их

ляторная батарея или-"Р-^ /™ой площади до 70 м> и ДР-большие габариты и масса, что посменного тока: большое по-

Нсдостатки ^^^^^^^ „щих проводов,

¡гггг-^5^-скорости-и

Т-Д" Недостатки индукционно. привод

Ь^^"ГГЖ цилиндрических лиией-Вышеперечисленные недогатк* „струк-тивных особешю-

„ь,х асинхронных двн^е" Поэтому предлагаем использовать их в

стей и массогабаритных "О^3^""110^0 * э_ \ для масля„ых выключате-качестве силового элемента в пр " ^лення Ростехиадзора по

лей, которых по данным Западно-Ур^ьско^ компаний в

удмуртской Республике ВМГ-35 300 штук.

эксплуатации«^^^^^лирована следующая цель РаНа основании выше высоковольтных масляных выклю-ботьк повышение эффектишюсп, "Р^^^оляющего снизить ущерб чателей 6 .35 кВ. работающего на основе ЦЛАД, позволя

"ели были поставлены следующие анализ существующих конструкций приводов

3" теоретических и характеристик

ГрХГь^С-"- - "" 6-35 *

основе ЦЛАД.

6. Провести технико-экономическое. .

использования ЦЛАД для приводов масляных выключателей 6...35 кВ.

Объектом исследования является: цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель (ЦЛАД) приводных устройств выключателей сельских распределительных сетей 6...35 кВ.

Предмет исследования: изучение тяговых характеристик ЦЛАД при работе в масляных выключателях 6...35 кВ.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием основных законов геометрии, тригонометрии, механики, дифференциального и интегрального исчисления. Натуральные исследования проводились с выключателем ВМП-10 с использованием технических и измерительных средств. Обработка экспериментальных данных выполнена с использованием программы «Microsoft Excel». Научная новизна работы.

1. Предложен новый тип привода масляных выключателей, позволяющий повысить надежность их работы в 2,4 раза.

2. Разработана методика расчета характеристик ЦЛАД, которая в отличие от предложенных ранее, позволяет учитывать краевые эффекты распределения магнитного поля.

3. Обоснованы основные конструкционные параметры и режимы работы привода для выключателя ВМП-10, снижающие недоотпуск электроэнергии потребителям.

Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:

1. Предложена конструкция привода выключателей типа ВМП-10.

2. Разработана методика расчета параметров цилиндрического линейного асинхронного двигателя.

3. Разработана методика и программа расчета привода, которые позволяют рассчитывать приводы выключателей подобных конструкций.

4. Определены параметры предлагаемого привода для ВМП-10 и ему подобных.

5. Разработан и испытан лабораторный образец привода, который позволил уменьшить потери перерывов электроснабжения.

Реализация результатов исследований. Работа проведена в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧИМЭСХ, регистрационный номер №02900034856 «Разработка привода для высоковольтных выключателей 6...35 кВ». Результаты работы и рекомендации приняты и используются в ПО «Башкирэнерго» С-ВЭС (получен акт внедрения).

Работа основана на обобщении результатов исследований, выполненных самостоятельно и в содружестве с учеными ФГБОУ ВПО Челябинского государственного агроуниверситета (г. Челябинск), ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии.

На защиту вынесены следующие положения:

1. Тип привода масляных выключателей на основе ЦЛАД

2. Математическая модель расчета характеристик ЦЛАД, а также тягового

усилия в зависимости от конструкции паза.

программа расчета привода для выключателей типа ВМГ, ВМП напряжением 10...35 кВ. 4. Результаты исследований предлагаемой конструкции привода масляных выключателей на основе ЦЛАД.

Апробация результатов исследований. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях: XXXIII научная конференция посвященная 50-летию института, Свердловск (1990); международная научно-практическая конференция «Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований» (г. Ижевск, ФГБОУ В ПО Ижевская ГСХА 2003); Региональная научно-методическая конференция (Ижевск, ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2004); Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии - 50 лет». (Ижевск, 2005), на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА».

Публикации по теме диссертации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены 8 печатных работах, в том числе: в одной статье, опубликованной в журнале, рекомендованном ВАК, двух депонированных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений, изложена на 167 страницах основного текста, содержит 82 рисунка, 23 таблицы и списка использованных источников из 105 наименований и 4 приложений.

В первой главе выполнен анализ конструкций приводов выключателей.

Установлено:

Принципиальное преимущество совмещения привода с ЦЛАД;

Необходимость дальнейших исследований;

Цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методы расчета ЦЛАД.

На основании анализа распространения магнитного поля выбрана трехмерная модель.

Обмотка ЦЛАД в общем случае состоит из отдельных катушек, включенных последовательно в трёхфазную схему.

Рассматривается ЦЛАД с однослойной обмоткой и симметричным относительно сердечника индуктора расположением вторичного элемента в зазоре.

Принятые следующие допущения: 1. Ток обмотки, уложенной на длине 2рт, сосредоточен в бесконечно тонких токовых слоях, расположенных на ферромагнитных поверхностях индуктора и создает чисто синусоидальную бегущую волну. Амплитуда связана известным соотношением с линейными плотностью тока и токовой нагрузкой

создает чисто синусоидальную бегущую волну. Амплитуда связана известным соотношением с линейными плотностью тока и токовой нагрузкой

к """д."«*. (1)

т - полюсное; ш - число фаз; W - число витков в фазе; I - действующее значение тока; Р - число пар полюсов; J - плотность тока;

Ко6| - обмоточный коэффициент основной гармоники.

2. Первичное поле в области лобовых частей аппроксимируется экспоненциальной функцией

/(") = 0,83 ехр ~~~ (2)

Достоверность такой аппроксимации к реальной картине поля говорят проведенные ранее исследования, а также опыты на модели ЛАД При этом возможно заменить L-2 с.

3.Начало неподвижной системы координат х, у, z расположено в начале обмотанной частн набегающего края индуктора (рис. 2).

При принятой постановке задачи н.с. обмотки можно представить в виде двойного ряда Фурье:

где, А - линейная токовая нагрузка индуктора; Коб - обмоточный коэффициент; L - ширина реактивной шины; С - общая длина индуктора; а - угол сдвига;

z = 0,5L - а - зона изменения индукции; п - порядок гармоники по поперечной оси; v- порядок гармоник по продольной осн;

Решение находим для векторного магнитного потенциала токов А В области воздушного зазора Аг удовлетворяет следующим уравнениям:

divAs = 0. J (4)

Для ВЭ уравнения А 2 уравнения имеют вид:

ДА2 .= ГгМ 2 сИУ Т2 = 0.

Решение уравнений (4) и (5) производим методом разделения переменных. ^упрощения задачи приведем лишь выражение для нормальной составляющей индукции в зазоре:

ад [КЫ<л

у 2а V 1й<ЬК0.51.

_¿1- 2с -1 -1 "

Рисунок 2 - Расчетная математическая модель ЛАД без учета распределения обмотки

КП2 . СОБ---АХ

X (сИЛу + С^ЬЛу) ехр у

Полная электромагнитная мощность 8ЗМ, передаваемая из первичной части в з" орТвЭ, Хег быть найдена как поток нормальной 8, составляющей вектора Пойтинга через поверхность у - 5

= / / ЯуЖсЬ =

" - - \shXS + С2сИЛд\2

^ГрЛс^ГвВэГ""" С0СтаШ1ЯЮЩаЯ" У™«*»«« механическую мощ-

Р™со" зР™"ШЯ С°СТаСЛЯЮЩаЯ"УЧИТШает поТОк „

С\ - комплекс, сопряжений с С2.

„з-ор,",г«.мша"" лад «». ..з

II "в е., ЪгсЬс

^ И О Л V о_£ V у

- " " \shXS + С.сЬАЗ?"

""-^/Н^н^м-^гИ

л " \shXS +С2с1гЛ5^

по поп^еч^^Л^еТоТ^ ^ " Ь = 2с> ™ -рмо„ик координата Л-УКроме Г Г^Г в двухмерное, по

чие стального ^тора^то^^^я е^прашуществ^Г ^ЧССТЬ нашг"

2) Механическая мощность

Электромагнитная мощность £,.,«1 = р /с» + .у, /С1 „ 1 "

гласно выражению, формуле (7) рассчитывалась со-

4) Потери в меди индуктора

Р,г1 = ШI1 Гф ^

где гф - активное сопротивление фазной обмотки;

5) К п д. без учета потерь в стали сердечника

„ р.-и ■ (12) Р, Р„(5>+Л,..

6) Коэффициент мощности

р т!\гы+гф) ^ тиф1 т1 Z £

где, 2 = + х1 есть модуль полного сопротивления последовательной

схемы замещения (рис 2).

х1=х„+ха1 О4)

v -Язи- г (15)

х = х + х + х + Ха - индуктивное сопротивление рассеяния первичной об-п а * ч

М°™аким образом, получен алгоритм расчёта статических характеристик ЛАД с короткозамкнутым вторичным элементом, позволяющий учитывать свойства активных частей конструкции на каждом зубцовом делении.

Разработанная математическая модель позволяет: . Применить математический аппарат для расчета цилиндрического линсшюго асинхронного двигателя, его статических характеристик на основе развсрну-схем замещения электрических первичной и вторичной и магнитно» це-

Провести оценку влияния различных параметров и конструкций вторичного элемента на тяговые и энергетические характеристики цилиндрического линейного асинхронного двигателя. . Результаты расчётов позволяют определить в первом приближении оптимальные основные технико-экономические данные при проектировании цилиндрических линейных асинхронных двигателей.

В третьей главе «Расчетно-теорстнческие исследования» приведены результаты численных расчётов влияния различных параметров и геометрических на энергетические и тяговые показатели ЦЛАД с помощью математической модели описанной ранее.

Индуктор ЦЛАД состоит из отдельных шайб, расположенных в ферромагнитном цилиндре. Геометрические размеры шайб индуктора, принятые в расче-тПшведены на рис. 3. Количество шайб и длина ферромагнитного цилиндра -Гя" числом полюсов и числом пазов на полюс и фазу обмотки индуктора 1^заш(симые перемеш1Ые принимались параметры индуктора (геометрия зубцового слоя, число полюсов, полюсное деление, длина и ширина) вторичной структуры - тип обмотки, электрическая проводимость С2 - Уг Л, а

также параметры обратного магнитопровода. При этом результаты исследования представлены в виде графиков.

Рисунок 3 - Устройство индуктора 1-Вторичный элемент; 2-гайка; З-уплотнительная шайба; 4- катушка; 5-корпус двигателя; 6-обмотка,7-шайба.

Для разрабатываемого привода выключателя однозначно определены:

1 Режим работы, который может быть охарактеризован, как «пуск». Время " работы - менее секунды (t.=0,07c), повторные пуски могут быть, но даже в

этом случае общее время работы не превышает секунды. Следовательно, электромагнитные нагрузки - линейная токовая нагрузка, плотность тока в обмотках могут быть взять, существенно выше принимаемых для jустановившихся режимов электрических машин: А = (25...50) 10 А/м, J (4.../) А/мм2. Поэтому тепловое состояние машины можно не рассматривать.

3. Требуемое тяговое усилие F„ > 1500 Н. При этом изменение усилия за время работы должно быть минимальным.

4. Жесткие ограничения габаритов: длина Ls . 400 мм; внешний диаметр статора Д = 40... 100 мм.

5 Энергетические показатели (л, coscp) не имеют значения.

димое тяговое усилие в интервале 0,3

Исходя из сформированной задачи исследований, основным показателем ЛАД является тяговое усилие в интервале скольжений 0,3

~~Таким образом, сила тяги ЛАД представляется функциональной зависимостью..~~

~~Fx = f(2р, г, &d2,y2,Yi, Ms > Ч< Wk, A, a) U<>>~~

~~таметров некоторые пр-т -ко и т=400/4 = 100 -* 66,6 ммГч~~

~~тель„оСПяВГИЧе"ИеМ ЧИСЛЗ П°ЛЮС0В "У"0806 ТЯГОвое усилие падает значи- 5~~

~~ТЯГОВОГ° УСИЛИЯ СВЯЗано с Уменьшением полюсной деления т и магнитной индукции в воздушном И деления т~~

~~является 2р=4 (рис. 4). °ЗДушном зазоРе Следовательно, оптимальным~~

~~ОД 0.2 0.3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 9~~

~~Скольжение Б, ое~~

~~Рисунок 4 - Тяговая характеристика ЦЛАД „ зависимости от числа полшсов~~

~~3000 2500 2000 1500 1000 500 0 ■~~

~~1,5|у 2,0л<~~

~~0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 ^кольжение Б, ое~~

~~РИСУ5ЮК5 ,азо.~~

~~ра(6=1,5мм и 5=2,0мм)~~

~~проводность у2,у3 и магнитная проницаемость ц3 ВЭ.~~

Изменение электропроводимости стального цилиндра » (рис. 6) на тяговое усилие ЦЛАД оказывает малосущественное значение до 5%.

~~0 0,10,23,30,40,50,60,70,83,91~~

~~Скольжение 8, ое.~~

~~Рисунок 6. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях электропроводимости стального цилиндра~~

Изменение магнитной проницаемости ц3 стального цилиндра (рис. 7) не приносит значительных изменений тягового усилия Рх=ДБ). При рабочем скольжении 8=0,3 тяговая характеристики совпадают. Пусковое тяговое усилие изменяется в пределах 3...4%. Следовательно, учитывая несущественное влияние уз и Мз на тяговое усилие ЦЛАД, стальной цилиндр может быть изготовлен из магнитомягкой стали.

~~0 0 1 0 2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 СкольжениеЗ,ое~~

Рисунок 7. Тяговая характеристика ЦДАД при различных значениях магнитном проницаемости (Цз=1000цо И Цз =500цо) стального цилиндра

Из анализа графических зависимостей (рис. 5, рис. 6, рис. 7) следует вывод: изменения проводимости стального цилиндра и магнитной проницаемости, ограничения немагнитного промежутка добиться постоянства тягового усилия 1"Х невозможно вследствие их малого влияния.

~~у=1,2-10"См/м~~

~~у=3 10»См/м~~

~~О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Скольжение Э, ое~~

~~Рисунок 8. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях электропроводимости ВЭ~~

Параметр, при помощи которого можно добиться постоянства тягового усилия =/(2р, г, <$ й2 ,у2, уз, цз, Я, А, а) ЦЛАД, является удельная электропроводимость у2 вторичного элемента. На рисунке 8 указаны оптимальные крайние варианты проводимостей. Эксперименты, проведенные на экспериментальной установке, позволили определить наиболее подходящую удельную проводимость в пределах у=0,8-10"...1,2-ю"См/м.

На рисунках 9...11 приведены зависимости Г, I, т},оо$<р = /(я) при различных значениях числа витков в катушке обмотки индуктора ЦЛАД с экранированным вторичным э л е м е нто в (с/,=1 мм; 5=1 мм).

~~Лг аз о* ~05 Об й5 То~~

~~Рисунок 9. Зависимость 1=Г(8) при различных значениях числа витков в катушке~~

~~Рисунок 10. Зависимость eos~~

~~Рисунок! I Зависимость t]= f(S)~~

Графические зависимости энергетических показатели от числа витков в кашках совпадают. Это говорит о том, что изменение числа витков в катушке не приводит к значительному изменению этих показателей. Это является причиной отсутствия внимания к ним.

Увеличение тягового усилия (рис. 12) по мере уменьшения числа витков в катушке объясняется тем. что увеличивается сечение провода при постоянных значениях геометрических размеров и коэффициента заполнения медью паза индуктора и незначительном изменении значения плотности тока. Двигатель в приводах выключателей работает в пусковом режиме менее секунды. Поэтому для привода механизмов с большим пусковым тяговым усилием и кратковременным режимом работы эффективнее использовать ЦЛАД с малым числом витков и большим сечением провода катушки обмотки индуктора.

~~мол /"4а? /?(/,"■ Ш0О 8оо боа íoo 2 ос ■~~

~~О о/ О.З oi 05 Об 07 os ¿J? То~~

~~Рисунок 12. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях числа витков era горной катушки~~

~~Однако, при частых включениях таких механизмов необходимо иметь запас двигателя по нагреву.~~

Таким образом, на основании результатов численного эксперимента по вышеописанной методике расчёта можно с достаточной степенью точности определить тенденцию изменения электрических и тяговых показателей при различных переменных ЦЛАД. Основным показателем для постоянства тягового усилия является электропроводимость покрытия вторичного элемента у2 Изменяя её в пределах у=0,8-10 ...1,2-10 См/м, можно получить необходимую тяговую характеристику.

~~Следовательно, для постоянства тяги ЦЛАД достаточно задаться постоянными значениями 2р, т, 8, у} , Цз,~~

~~! ],=/(К у2, \Ук) (17)~~

~~где К=/(2р, т, 8, Л2, у, Цз »~~

В четвертой главе изложена методика проведения эксперимента исследуемого способа привода выключателя. Экспериментальные исследования характеристик привода проводили на высоковольтном выключателе ВМП-10 (рис. 13)

~~Рисунок 13 Экспериментальная установка.~~

~~1) Пружины ускорения ГПу",~~

~~2) Пружина отключения Г по",~~

~~31 Упругие силы, создаваемые пружинами контактов Рк. - №1, 2012г. С. 2-3. - Режим доступа: http://w\v\v.ivdon.ru.~~

~~Другие издания:~~

2. Пястолов, A.A. Разработка привода для высоковольтных выключателей 6...35 кВ." /A.A. Пястолов, И.Н.Рамазанов, Р.Ф.Юнусов, В.А. Баженов // Отчет о научно-исследовательской работе (х. № ГР 018600223428 лив. №02900034856.-Челябинск: ЧИМЭСХ.1990. - С. 89-90.

3. Юнусов, Р.Ф. Разработка линейного электропривода сельскохозяйственного назначения. /Р.Ф. Юнусов, И.Н. Рамазанов, В.В. Иваницкая, В.А. Баженов // XXXIII научная конференция. Тезисы докладов.- Свердловск, 1990, С. 32-33.

4. Пястолов, A.A. Привод высоковольтного масляного выключателя. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов И.Н., Баженов В.А. // Информационный листок № 91-2. -ЦНТИ, Челябинск, 1991. С. 3-4.

5. Пястолов, A.A. Цилиндрический линейный асинхронный двигатель. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов И.Н., Баженов В.А. // Информационный листок № 91-3. -ЦНТИ, Челябинск, 1991. с. 3-4.

6. Баженов, В.А. Выбор аккумулирующего элемента для выключателя ВМП-10. Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии - 50 лет». / Ижевск, 2005. С. 23-25.

7. Баженов, В.А. Разработка экономичного привода масляного выключателя. Региональная научно-методическая конференция Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, Ижевск, 2004. С. 12-14.

8. Баженов, В.А. Совершенствование привода масляного выключателя ВМП-10. Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 25-летию факультета «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства» и кафедры «Электротехнология сельскохозяйственного производства». Ижевск 2003, С. 249-250.

~~диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук~~

~~Сдано в набор_2012г. Подписано в печать 24.04.2012г.~~

Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60x84/ 16. Объем I печ.л. Тираж 100 экз. Заказ №4187. Изд-во ФГБОУ BIIO Ижевской ГСХА г. Ижевск, ул. Студенчески. 11

Текст работы Баженов, Владимир Аркадьевич, диссертация по теме Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»
На правах рукописи
Баженов Владимир Аркадьевич
ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В ПРИВОДЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
Специальность 05.20.02 Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук,
Владыкин Иван Ревович
Ижевск - 2012
На различных этапах исследований работа выполнялась под руководством д.т.н., профессора, зав. кафедрой «Электрические машины» Челябинского института механизации и электрификации сельского хозяйства A.A. Пястолова (глава 1, 4, 5) и д.т.н., профессора, зав. кафедрой «Электропривод и электрические машины» Санкт-Петербургского Государственного Аграрного Университета А.П. Епифанова (глава 2, 3), Автор выражает искреннюю благодарность.
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................5
1 АНАЛИЗ ПРИВОДОВ МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИК.......................................................................................................................................7
1.1 Устройство и принцип работы выключателей..................................................11
1.2 Классификация приводов....................................................................................14
1.3 Основные элементы привода..............................................................................19
1.4 Общие конструктивные требования к приводам..............................................22
1.5 Электромагнитные приводы...............................................................................26
1.5.1 Конструкции электромагнитных приводов...................................................28
1.5.2 Электромагнитный привод на переменном токе...........................................42
1.5.3 Привод на основе плоского ЛАД....................................................................45
1.5.4 Привод выключателя на основе вращающегося асинхронного двигателя................................................................................................................................48
1.5.5 Привод на основе цилиндрического линейного асинхронного
двигателя..........................................................................................................................50
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ..........................................................................52
2 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИ-ГАГЕЛЕЙ........................................................................................................................................55
2.1 Анализ методик расчета характеристик ЛАД...................................................55
2.2 Методика на одномерной теории........................................................................56
2.3 Методика на основе двухмерной теории...........................................................58
2.4 Методика на основе трехмерной модели...........................................................59
2.5 Математическая модель цилиндрического асинхронного двигате-ля на
основе схемы замещения................................................................................................65
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..................................................................................................................94
3 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................95
3.1 Общие положения и решаемые задачи (постановка задачи)...........................95
3.2.Исследуемые показатели и параметры...................................................................96
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..............................................................................................................105
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................106
4.1 Определение инерционного сопротивления системы ВМ-привод....................106
4.2 Определение характеристик упругих элементов............................................110
4.3 Определение электродинамических характеристик.......................................114
4.4 Определение аэродинамического сопротивления воздуха и
гидравлического изоляционного масла ВМ...............................................................117
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...............................................................................................................121
5 ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ......................................................122
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...............................................................................................................124
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСССЛЕДОВАНИЙ........................................125
ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................................126
ПРИЛОЖЕНИЕ А.....................................................................................................................137
ПРИЛОЖЕНИЕ Б РАСЧЁТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ПРИВОДОВ ВМ6...35КВ...139
ПРИЛОЖЕНИЕ В СПРАВКА ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ОБЪЕКТА РАЗРАБОТКИ...................142
I Патентная документация.......................................................................................142
II Научно- техническая литература и техническая документация........................143
III Технические характеристики цилиндрического линейного асинхронного двигателя........................................................................................................................144
IV Анализ эксплуатационной надёжности приводов ВМ- 6.. .35кВ......................145
V Конструктивные особенности основных типов приводов ВМ-6... 35 кВ........150
ПРИЛОЖЕНИЕ Г......................................................................................................................156
Пример конкретного выполнения привода................................................................156
высоковольтного выключателя...................................................................................156
Расчёт мощности, потребляемой инерционным приводом......................................162
при операции включения ВМ......................................................................................162
Указатель основных обозначений и сокращений......................................................165
ВВЕДЕНИЕ
С переводом сельскохозяйственного производства на промышленную основу существенно повышаются требования к уровню надёжности электроснабжения.
Целевая комплексная программа повышения надёжности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей /ЦКП ПН/ предусматривает широкое внедрение средств автоматизации сельских распределительных сетей 0,4.. .35 кВ, как одно из наиболее эффективных способов достижения этой цели. Программа включает в себя, в частности, оснащение распределительных сетей современной коммутационной аппаратурой и приводными устройствами к ним. Наряду с этим предполагается широкое использование, особенно на первом этапе, первичной коммутационной аппаратуры, находящейся в эксплуатации
Наибольшее распространение в сельских сетях нашли масляные выключатели (ВМ) с пружинными и пружинно-грузовыми приводами. Однако, из опыта эксплуатации известно, что приводы ВМ являются одним из наименее надёжных элементов распределительных устройств. Это снижает эффективность комплексной автоматизации сельских электрических сетей. Например, в отмечается, что 30...35% случаев действия релейной защиты и автоматики /РЗА/ не реализуется из-за неудовлетворительного состояния приводов. Причём до 85% дефектов приходится на долю ВМ 10...35 кВ с пружинно-грузовыми приводами. По данным работы 59,3% отказов автоматического повторного включения /АПВ/ на базе пружинных приводов происходит из-за блок- контактов привода и выключателя, 28,9% из-за механизмов включения привода и удержания его во включённом положении. О неудовлетворительном состоянии и необходимости модернизации и разработки надёжных приводов отмечается в работах .
Имеется положительный опыт применения более надёжных электромагнитных приводов постоянного тока для ВМ 10 кВ на понижающих подстанциях сельскохозяйственного назначения. Однако в силу ряда особенностей эти приводы не нашли широкого применения [ 53 ].
Целью настоящего этапа НИР является выбор направления исследования.
В процессе работы решались следующие задачи:
Определение показателей надёжности основных типов приводов ВМ- 6.. .35 кВ и их функциональных узлов;
Анализ конструктивных особенностей различных типов приводов ВМ- 6...35 кВ;
Обоснование и выбор конструктивного решения привода ВМ 6...35 кВ и направления исследований.
1 АНАЛИЗ ПРИВОДОВ МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Работа привода масляных выключателей 6 - 10 кВ во многом зависит от совершенства конструкции. Конструктивные особенности определяются предъявляемыми к ним требованиями:
Мощность, потребляемая приводом в процессе выполнения операции включения ВМ, должна быть ограничена, т.к. питание осуществляется от маломощных трансформаторов собственных нужд. Это требование особенно существенно для понижающих подстанций сельскохозяйственного электроснабжения.
Привод масляного выключателя должен обеспечивать достаточную скорость коммутации,
Дистанционное и местное управление,
Нормальное срабатывание при допустимых уровнях изменения рабочих напряжений и др.
Исходя из этих требований, основные механизмы приводов выполняются в виде механических преобразователей с различным числом каскадов (ступеней) усиления, которые в процессе отключения и включения потребляют небольшую мощность для управления большим потоком энергии, затрачиваемой выключателем .
В известных приводах каскады усиления конструктивно выполняются в виде запирающих устройств (ЗУО, ЗУВ) с защёлками, редуцирующих механизмов (РМ) с многозвенными ломающимися рычагами, а также механических усилителей (МУ) с использованием энергии поднятого груза или сжатой пружины. На рис.2 и 3 (приложение Б) представлены упрощённые схемы приводов масляных выключателей различных типов. Стрелками и цифрами над ними показаны направление и последовательность взаимодействия механизмов в процессе работы.
Основными коммутационными аппаратами на подстанциях являются масляные и безмасляные выключатели, разъединители, предохранители напряжением до 1000 В и выше, автоматические выключатели, рубильники. В электрических ссетях небольшой мощности напряжением 6 - 10 кВ устанавливаются простейшие коммутационные аппараты - выключатели нагрузки .
В распределительных устройствах 6... 10 кВ, в выкатных КРУ, часто применяются маломасляные подвесные выключатели со встроенными пружинными или электромагнитными приводами (ВМПП, ВМПЭ): Номинальные токи этих выключателей: 630 А, 1000 А, 1600 А, 3200 А.
Ток отключения 20 и 31,5 кА. Такой диапазон исполнений дает возможность применять выключатели ВМП как в электроустановках средней мощности, так и на крупных вводных линиях и на стороне вторичных цепей относительно крупных трансформаторов. Исполнение на ток 31,5 кА позволяет применять компактные выключатели ВМП в мощных сетях 6.. .10 кВ без реактирования и тем самым уменьшить колебания и отклонения напряжения в этих сетях.
Маломасляные горшковые выключатели типа ВМГ-10 с пружинными и электромагнитными приводами изготавливаются на номинальные токи 630 и 1000 А и ток отключения КЗ 20 кА. Они встраиваются в стационарные камеры серии КСО-272 и применяются преимущественно в электроустановках средней мощности. Выпускаются также маломасляные выключатели типа ВММ-10 небольшой мощности с встроенными пружинными приводами на номинальный ток 400 А и номинальный ток отключения 10 кА.
В большом диапазоне исполнений и параметров изготавливаются электромагнитные выключатели следующих типов : ВЭМ-6 со встроенными электромагнитными приводами на напряжение 6 кВ, номинальные токи 2000 и 3200 А, номинальный ток отключения 38,5 и 40 кА;
ВЭМ-10 со встроенным электромагнитным приводом, на напряжение 10 кВ, номинальные токи 1000 и 1250, номинальный ток отключения 12,5 и 20 кА;
ВЭ-10 со встроенными пружинными приводами, на напряжение 10 кВ, номинальные токи 1250, 1600, 2500, 3000 А. Номинальные токи отключения 20 и 31,5 кА.
Электромагнитные выключатели по своим параметрам соответствуют маломасляным выключателям ВМП и имеют такую же область применения. Они пригодны для частых коммутационных операций. Коммутационная способность выключателей зависит от типа привода его конструктивного исполнения и надежности работы. На подстанциях промышленных предприятий преимущественно применяются пружинные и электромагнитные приводы встроенные в выключатель . Электромагнитные приводы используются в ответственных установках:
При питании электроприёмников первой и второй категории с частыми операциями выключателями;
Особо ответственных электроустановках первой категории независимо от частоты операций;
При наличии аккумуляторной батареи.
Для подстанций промышленных предприятий применяются комплектные крупноблочные устройства: КРУ, КСО, КТП различной мощности, напряжения и назначения. Комплектные устройства со всеми аппаратами, измерительными приборами и вспомогательными устройствами изготовляются, комплектуются и испытываются на заводе или в мастерской и в собранном виде доставляются на место установки. Это дает большой экономический эффект, так как ускоряет и удешевляет строительство и монтаж и позволяет вести работы индустриальными методами. Комплектные распределительные устройства имеют два принципиально различных конструктивных исполнения: выкатное (серии КРУ) и стационарное (серии
КСО, КРУН и др.). Устройства обоих видов одинаково успешно разрешают задачи электромонтажных и эксплуатационных работ.
Выкатные распредустройства более удобны, надежны и безопасны в эксплуатации. Это достигается благодаря защите всех токоведущих частей и контактных соединений надежной изоляцией, а также возможности быстрой замены выключателя путем выкатки и обслуживания в мастерской. Расположение привода выключателя таково, что его внешний осмотр можно осуществить как при включенном, так и при отключенном положении выключателя без выкатки последнего.
Заводами изготавливаются унифицированные серии выкатных КРУ для внутренней установки на напряжение до 10 кВ, основные технические параметры которых приведены в таблице 1.
Таблица 1.1- Основные параметры КРУ на напряжение 3-10 кВ для внутренней установки
Серия Номинальное напряжение, в кВ Номинальный ток, в А Вид масляного выключателя Тип привода
КРУ2-10-20УЗ 3,6, 10 630 1000 1600 2000 2500 3200 Маломасляный горшковый ВМП-Юлд ПЭ-11 ПП67 ПП70
КР-10-31, 5УЗ 6,10 630 1000 1600 3200 Маломасляный горшковый
КР-10Д10УЗ 10 1000 2000 4000 5000 Маломасляный горшковый
КЭ-10-20УЗ 10 630 1000 1600 2000 3200 Электромагнитный
КЭ-10-31, 5УЗ 10 630 1000 Электромагнитный
1.1 Устройство и принцип работы выключателей
Выключатели типа ВМГ-10-20 относятся к трехполюсным высоковольтным выключателям с малым объемом дугогасящей жидкости (трансформаторного масла). Выключатель предназначен для коммутации высоковольтных цепей переменного тока напряжением 10 кВ в нормальном режиме работы установки, а также для автоматического отключения этих цепей при токах короткого замыкания и перегрузках, возникающих при ненормальных и аварийных режимах работы установок .
Принцип работы выключателя основан на гашении электрической дуги, возникающей при размыкании контактов, потоком газомасляной смеси, образующейся в результате интенсивного разложения трансформаторного масла под действием высокой температуры горения дуги. Этот поток получает определенное направление в специальном дугогасительном устройстве, размещенном в зоне горения дуги.
Управление выключателем осуществляется приводами. При этом, оперативное включение производится за счет энергии привода, а отключение - за счет энергии отключающих пружин самого выключателя.
Конструкция выключателя показана рис.1.1. Три полюса выключателя смонтированы на общей сварной раме 3, являющейся основанием выключателя и имеющей отверстия для крепления выключателя. На лицевой стороне рамы установлено шесть фарфоровых изоляторов 2 (по два на полюс), имеющих внутреннее эластичное механическое крепление. На каждую пару изоляторов подвешивается полюс выключателя 1.
Приводной механизм выключателя (рис. 9) состоит из вала 6 с приваренными к нему рычагами 5. К крайним рычагам 5 присоединены отключающие пружины 1, к среднему - буферная пружина 2. На противоположных концах рычагов механически укреплены изоляционные рычаги, которые соединены с токоведущими контактными стержнями 9 при помо-
щи серьги 7 и служат для передачи движения от вала выключателя к контактному стержню.
установки (тип ВМП-10) - общий вид
Между крайним и средним рычагами на валу выключателя приварена пара двуплечих рычагов 4 с роликами на концах. Эти рычаги служат для ограничения включенного и отключенного положений выключателя. При включении один из роликов подходит к болту 8, при отключении второй ролик перемещает шток масляного буфера 3; более подробное устройство которого показано на рис.1. 2.
В зависимости от кинематики ячейки выключатель допускает среднее или боковое присоединение привода. При среднем присоединении привода используется рычаг 13 (рис. 1.1), для бокового присоединения на вал выключателя дополнительно устанавливается рычаг 12 (рис. 1.1).
Рисунок 1.2 - Полюс выключателя
Основной частью полюса выключателя (рис. 1.2) является цилиндр 1. Для выключателей на номинальный ток 1000А эти цилиндры выполнены из латуни. Цилиндры выключателей на номинальный ток 63ОА выполнены из стали и имеют продольный немагнитный шов. К каждому цилиндру приварены две скобы для крепления его к опорным изоляторам, и кожух 10 с маслоналивной пробкой 11 и маслоуказателем 15. Кожух служит дополните

Исследование влияния несинусоидальности питающего напряжения, обусловленной широтно-импульсной модуляцией, на энергетические характеристики асинхронных двигателей

Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бесштанговых насосно-скважинных установках для добычи пластовых жидкостей со средних и больших глубин, преимущественно в нефтедобыче. Цилиндрический линейный асинхронный двигатель содержит цилиндрический индуктор с многофазной обмоткой, выполненной с возможностью осевого перемещения и смонтированной внутри стального вторичного элемента. Стальной вторичный элемент представляет собой корпус электродвигателя, внутренняя поверхность которого имеет высокопроводящее в виде слоя меди покрытие. Цилиндрический индуктор выполнен из нескольких модулей, выбранных из катушек фаз и соединенных между собой гибкой связью. Число модулей индуктора кратно числу фаз обмотки. При переходе от одного модуля к другому катушки фаз уложены с поочередной сменой местоположения отдельных фаз. При диаметре двигателя 117 мм, длине индуктора 1400 мм, частоте тока индуктора 16 Гц электродвигатель развивает усилие до 1000 Н и мощность 1,2 кВт при естественном охлаждении и до 1800 Н при масляном. Технический результат заключается в повышении тягового усилия и мощности на единицу длины двигателя в условиях ограничения по диаметру корпуса. 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2266607

Изобретение относится к конструкциям погружных цилиндрических линейных асинхронных двигателей (ЦЛАД), используемых в бесштанговых насосно-скважинных установках для добычи пластовых жидкостей со средних и больших глубин, преимущественно в нефтедобыче.

Наиболее распространенным способом добычи нефти является подъем нефти из скважин с помощью штанговых плунжерных насосов, управляемых станками-качалками.
Кроме очевидных недостатков, присущим таким установкам (большие габариты и масса станков-качалок и штанг; износ насосно-компрессорных труб и штанг), существенным недостатком являются также малые возможности для регулирования скорости перемещения плунжера, а значит, и производительности штанговых насосных агрегатов, невозможность работы в наклонных скважинах.
Возможность регулировать эти характеристики позволила бы учитывать естественные изменения дебита скважины в процессе ее эксплуатации и сократить количество типоразмеров насосных агрегатов, используемых для различных скважин.
Известны технические решения по созданию бесштанговых глубинно-насосных установок. Одним из них является использование глубинных насосов плунжерного типа с приводом на основе линейных асинхронных двигателей.
Известна конструкция ЦЛАД, смонтированного в насосно-компрессорной трубе над плунжерным насосом (Ижеля Г.И. и др. «Линейные асинхронные двигатели», Киев, Техника, 1975 г., стр.135) /1/. Известный двигатель имеет корпус, помещенный в него неподвижный индуктор и подвижный вторичный элемент, расположенный внутри индуктора и воздействующий через тягу на плунжер насоса.
Тяговое усилие на подвижном вторичном элементе появляется вследствие взаимодействия наведенных в нем токов с бегущим магнитным полем линейного индуктора, создаваемым многофазными обмотками, соединенными с источником питания.

Такой электродвигатель использован в бесштанговых насосных агрегатах (а.с. СССР №491793, публ. 1975 г.) /2/ и (а.с. СССР №538153, публ. 1976 г.) /3/.
Однако условия эксплуатации погружных плунжерных насосов и линейных асинхронных двигателей в скважине накладывают ограничения на выбор конструкции и размеров электродвигателей. Отличительной особенностью погружных ЦЛАД является ограниченность диаметра двигателя, в частности не превышающего диаметра насосно-компрессорной трубы.
Для таких условий известные электродвигатели имеют относительно низкие технико-экономические показатели:
К.п.д. и cos уступают аналогичным показателям асинхронных двигателей традиционного исполнения;
Развиваемые ЦЛАД удельные механическая мощность и тяговое усилие (на единицу длины двигателя) относительно малы. Длина двигателя, размещенного в скважине, ограничена длиной насосно-компрессорной трубы (не более 10-12 м). При ограничении длины двигателя трудно достичь требуемого для подъема жидкости давления. Некоторое повышение тягового усилия и мощности возможно только за счет увеличения электромагнитных нагрузок двигателя, что ведет к снижению к.п.д. и уровня надежности двигателей из-за повышенных тепловых нагрузок.
Эти недостатки можно устранить, если выполнить «обращенную» схему «индуктор-вторичный элемент», иными словами индуктор с обмотками разместить внутри вторичного элемента.
Такое исполнение линейного двигателя известно («Индукционные электродвигатели с разомкнутым магнитопроводом». Информэлектро, М., 1974 г., стр.16-17) /4/ и может быть принято в качестве наиболее близкого к заявляемому решению.
Известный линейный двигатель содержит цилиндрический индуктор с обмоткой, смонтированный внутри вторичного элемента, внутренняя поверхность которого имеет высокопроводящее покрытие.
Такое исполнение индуктора по отношению к вторичному элементу было создано для облегчения намотки и монтажа катушек и применялось не в качестве привода для погружных насосов, работающих в скважинах, а для наземного использования, т.е. без жесткого ограничения по габаритам корпуса двигателя.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке конструкции цилиндрического линейного асинхронного двигателя для привода погружных плунжерных насосов, который в условиях ограничения по диаметру корпуса двигателя обладает повышенными удельными показателями: тяговым усилием и мощностью на единицу длины двигателя при обеспечении необходимого уровня надежности и заданном энергопотреблении.
Для решения поставленной задачи цилиндрический линейный асинхронный двигатель для привода погружных плунжерных насосов содержит цилиндрический индуктор с обмоткой, смонтированный внутри вторичного элемента, внутренняя поверхность которого имеет высокопроводящее покрытие, при этом индуктор с обмотками выполнен с возможностью осевого перемещения и смонтирован внутри трубчатого корпуса электродвигателя, толщина стальной стенки которого не менее 6 мм, а внутренняя поверхность корпуса покрыта слоем меди толщиной не менее 0,5 мм.
Учитывая неровность поверхности скважин и, как следствие, возможный изгиб корпуса электродвигателя, индуктор электродвигателя следует выполнять состоящим из нескольких модулей, соединенных между собой гибкой связью.
При этом для выравнивания токов по фазам обмотки двигателя число модулей выбрано кратным числу фаз, а при переходе от одного модуля к другому катушки уложены с поочередной сменой местоположения отдельных фаз.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Использование стального корпуса электродвигателя в качестве вторичного элемента позволяет максимально эффективно распорядиться ограниченным пространством скважины. Предельно достижимые значения мощности и усилия двигателя зависят от предельно допустимых электромагнитных нагрузок (плотность тока, индукция магнитного поля) и объема активных элементов (магнитопровод, обмотка, вторичный элемент). Совмещение конструктивного элемента конструкции - корпуса электродвигателя с активным вторичным элементом позволяет увеличить объем активных материалов двигателя.
Увеличение активной поверхности двигателя позволяет повысить тяговое усилие и мощность двигателя на единицу его длины.

Увеличение активного объема двигателя позволяет снизить электромагнитные нагрузки, определяющие тепловое состояние двигателя, от которого зависит уровень надежности.
При этом получение необходимых значений тягового усилия и мощности двигателя на единицу его длины при обеспечении необходимого уровня надежности и заданном энергопотреблении (к.п.д. и cos) в условиях ограничения по диаметру корпуса двигателя достигается оптимальным подбором толщины стальной стенки корпуса двигателя, а также толщины высокопроводящего покрытия его активной зоны - внутренней поверхности корпуса.
Учитывая номинальную скорость перемещения рабочих частей плунжерного насоса, оптимально соответствующую ей скорость бегущего магнитного поля подвижного индуктора, возможные технологические трудности при изготовлении обмоток, приемлемые значения полюсного деления (не менее 0,06-0,10 м) и частоты тока индуктора (не более 20 Гц), параметры по толщине стальной стенки вторичного элемента и медного покрытия выбраны заявленным образом. Эти параметры позволяют в условиях ограничения по диаметру двигателя снизить потери мощности (и, следовательно, повысить к.п.д.) за счет исключения роста тока намагничивания и снижения рассеяния магнитного потока.
Новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в применении обращенной схемы «индуктор-вторичный элемент» для максимально эффективного использования ограниченного пространства скважины при создании цилиндрического линейного асинхронного двигателя с характеристиками, позволяющими использовать его в качестве привода погружных насосов.
Заявленный двигатель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид двигателя с модульным исполнением индуктора, на фиг.2 - то же, разрез по А-А, на фиг.3 изображен отдельный модуль, на фиг.4 - то же, разрез по Б-Б.

Двигатель содержит корпус 1 - стальную трубу диаметром 117 мм, с толщиной стенки 6 мм. Внутренняя поверхность 2 трубы покрыта медью слоем 0,5 мм. Внутри стальной трубы 1 с помощью центрирующих втулок 3 с антифрикционными прокладками 4 и трубы 5 смонтирован подвижный индуктор, состоящий из модулей 6, соединенных между собой гибкой связью.
Каждый из модулей индуктора (фиг.3) набран из отдельных катушек 7, чередующихся с кольцевыми зубцами 8, имеющими радиальную прорезь 9, и размещенных на магнитопроводе 10.
Гибкая связь состоит из верхнего 11 и нижнего 12 хомутов, подвижно установленных с помощью пазов на выступах соседних центрирующих втулок.
На верхней плоскости хомута 11 закреплены токоподводящие кабели 13. При этом для выравнивания токов в фазах индуктора число модулей выбрано кратным числу фаз, а при переходе от одного модуля к другому катушки отдельных фаз поочередно меняются местами. Общее количество модулей индуктора, а значит, и длина двигателя выбираются в зависимости от требуемого тягового усилия.
Электродвигатель может быть оснащен штоком 14 для присоединения его к погружному плунжерному насосу и штоком 15 - для подсоединения к токоподводу. При этом штоки 14 и 15 соединены с индуктором гибкой связью 16 для предотвращения передачи изгибающего момента от погружного насоса и токоподвода на индуктор.
Электродвигатель прошел стендовые испытания и работает следующим образом. При подаче на погружной электродвигатель питания от преобразователя частоты, расположенного на поверхности земли, в многофазной обмотке двигателя появляются токи, создающие бегущее магнитное поле. Это магнитное поле наводит вторичные токи как в высокопроводящем (медном) слое вторичного элемента, так и в стальном корпусе двигателя.
Взаимодействие этих токов с магнитным полем приводит к созданию тягового усилия, под действием которого перемещается подвижный индуктор, воздействующий через тягу на плунжер насоса. В конце хода подвижной части по команде датчиков происходит реверсирование двигателя за счет изменения чередования фаз питающего напряжения. Далее цикл повторяется.
При диаметре двигателя 117 мм, длине индуктора 1400 мм, частоте тока индуктора 16 Гц электродвигатель развивает усилие до 1000 Н и мощность 1,2 кВт при естественном охлаждении и до 1800 Н при масляном.
Таким образом, заявленный двигатель имеет приемлемые технико-экономические характеристики для его использования в комплекте с погружным плунжерным насосом для добычи пластовых жидкостей со средних и больших глубин.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цилиндрический линейный асинхронный двигатель для привода погружных плунжерных насосов, содержащий цилиндрический индуктор с многофазной обмоткой, выполненный с возможностью осевого перемещения и смонтированный внутри стального вторичного элемента, стальной вторичный элемент представляет собой корпус электродвигателя, внутренняя поверхность которого имеет высокопроводящее в виде слоя меди покрытие, отличающийся тем, что цилиндрический индуктор выполнен из нескольких модулей, набранных из катушек фаз и соединенных между собой гибкой связью, число модулей цилиндрического индуктора кратно числу фаз обмотки, а при переходе от одного модуля к другому катушки фаз уложены с поочередной сменой местоположения отдельных фаз.

Рекомендованный список диссертаций

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цилиндрические линейные асинхронные двигатели для привода погружных плунжерных насосов»

Похожие диссертационные работы по специальности «Электромеханика и электрические аппараты», 05.09.01 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Соколов, Виталий Вадимович

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соколов, Виталий Вадимович, 2006 год

Анализ разрабатываемой конструкции цилиндрического линейного электродвигателя

Алгоритм электромагнитного расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока

Описание исходных данных для моделирования

Структура блока управления цилиндрическим линейным электродвигателем

Автореферат диссертации по теме ""

Текст работы Баженов, Владимир Аркадьевич, диссертация по теме Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Рисунки к патенту РФ 2266607

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Выбор редакции