Электрических машин переменного тока

 

Цифровые электронные вычис­лительные машины (ЭВМ) впер­вые начали использоваться для расчетов электрических машин в начале 50-х годов. За последние годы вычислительные машины получили настолько широкое применение, что сегодня ни один расчет, ни одно научное исследование в электро­механике не обходятся без приме­нения вычислительных машин. Существуют две основные тен­денции в применении ЭВМ при проектировании электрических ма­шин. В большинстве работ вычис­лительная техника применяется для расчетов отдельных частей или всей электрической машины по су­ществующим методикам. Вторая связана с созданием нового подхо­да к расчету, когда в основе расче­та лежат дифференциальные урав­нения, описывающие процессы элек­тромеханического преобразования энергии.

Первый путь дает ускорение вы­числений, обеспечивает перебор многих вариантов. Однако полуэм­пирические формулы, положенные в основу расчета, снижают эффек­тивность применения вычислитель­ных машин.

Второй путь позволя­ет более строго подойти к оптими­зации, решать более сложные зада­чи, но он еще недостаточно разра­ботан. Необходимо развивать оба направления, стремиться к оптими­зации электрической машины, ра­ботающей в электромеханической системе при изменении напряже­ний, частоты, окружающих усло­вий, с учетом работы элементов системы и динамических процессов /1/.

Чтобы избежать трудоемкого программи­рования и связанной с этим дли­тельной отладки программы, необ­ходимо стремиться к созданию уни­версальных программ. ЭВМ широко применяются при рас­чете магнитной системы, характе­ристик машин, механических, теп­ловых и вентиляционных и прочих расчетов.

Внедрение ЭВМ для автомати­зации инженерных расчетов приве­ло к существенному повышению технико-экономических показателей электрических машин, обеспечило качественный сдвиг в решении за­дач оптимального проектирования.

Анализ приведенных затрат применительно к асинхронным дви­гателям единой серии до 10 кВт показал, что примерно 70% затрат составляют текущие расходы на их эксплуатацию. На долю капитало­вложений приходится лишь 15 – 20% всех затрат. Следовательно, повышение эффективности новых электрических машин, прежде всего, связано со снижением эксплуата­ционных расходов. Первоочередное значение здесь имеют повышение надежности в работе машин и улучшение их энергетических пока­зателей. При этом повышение КПД экономически более выгодно, чем повышение cosφ.

Повышение надежности и улуч­шение КПД должны достигаться без заметного увеличения затрат на изготовление электрической маши­ны. Сокращение расходов на элект­ротехническую сталь и обмоточные провода может дать существенное уменьшение себестоимости элект­рической машины.

Хотя основная заработная пла­та и составляет 5 – 8% себестоимо­сти, снижение трудоемкости меха­нических и обмоточно-изолировочных работ имеет важное значение. В связи с увеличением выпуска электрических машин и недостат­ком рабочей силы снижение трудо­емкости настолько важно, что, например, в серии 4А пошли на некоторое сниже­ние энергетических показателей, увеличивая размеры шлица пазов для возможности машинной намот­ки обмотки. Проектирование электрической машины сводится к многократному расчету зависимостей между основ­ными показателями, заданных в виде системы формул, эмпиричес­ких коэффициентов, графических зависимостей, которые можно рас­сматривать как уравнения проекти­рования. Оптимальное проектиро­вание электрических машин может представляться как поиск опти­мальных параметров путем реше­ния этой системы уравнений. Слож­ность алгоритма расчета затрудня­ет задачу оптимизации. Несмотря на широкое применение вычисли­тельных машин, оптимальные вари­анты машины иногда выбираются на основании опыта и интуиции проектировщика.

Выбор критерия оптимальности зависит от назначения электричес­кой машины и предъявляемых к ней требований. Для специальных ма­шин целесообразно выбирать мини­мум массы или минимальные габа­риты. Для электрической машины общего назначения в качестве кри­терия оптимизации принимают ми­нимум приведенных затрат. Этот критерий широко применяется в России и за рубежом. Приведенные затраты на электрическую машину в процессе производства и эксплуа­тации являются обобщающим эко­номическим показателем, включа­ющим основные экономические эк­виваленты основных технических характеристик.

Нельзя найти универсальный критерий оптимальности. Действи­тельно, минимальная масса маши­ны обусловливает снижение энерге­тических показателей и ухудшение надежности. Наиболее очевидны противоречия между статическими и динамическими характеристика­ми. Для уменьшения времени раз­бега асинхронного двигателя надо увеличивать активное сопротивле­ние обмотки ротора. Повышенное сопротивление ротора вызывает ухудшение энергетических показателей. Когда электрическая маши­на работает при неизменном напря­жении, приложенном к ее выводам и не зависящем от нагрузки (сеть бесконечной мощности), задачу оп­тимизации машины следует прово­дить по минимуму суммарных за­трат.

Задача оптимального проекти­рования электрической машины или серии машин может быть представ­лена как общая задача нелинейно­го математического программиро­вания, которая сводится к нахож­дению минимума или максимума критерия оптимальности при нали­чии определенного числа независи­мых переменных проектирования и функций лимитеров, представляю­щих собой технические или техно­логические требования – ограничения к проекту. В настоящее время назрела не­обходимость решения задачи комп­лексной автоматизации проектиро­вания электрических машин. Этой цели служит система автомати­зированного проектирования элек­трических машин (САПРЭМ) /1/.

САПРЭМ – это сложный комп­лекс, позволяющий производить как расчетные, так и проектно-конструкторские работы. САПРЭМ разбивается на ряд подсистем, каждая из которых решает опреде­ленные задачи синтеза на основе сложившихся принципов проекти­рования с взаимодействием «чело­век – ЭВМ». САПРЭМ включает систему алгоритмов и создание на их основе пакетов прикладных про­грамм. В первую очередь создается САПР асинхронных машин, кото­рая должна обеспечить автоматиза­цию расчетных и графических ра­бот. При этом машина представляется состоящей из стандартных узлов и деталей, которые конструи­руются в режиме «человек – ЭВМ».

Широкая автоматизация проект­ных работ изменит в ближайшие годы процесс проектирования элек­трических машин, произойдут зна­чительные изменения и в учебном проектировании. Данная работа рассчитана на создание единой программы для решения вопросов проектирования асинхронных электрических машин переменного тока с короткозамкнутым ротором для условий учебного проектирования приближенного к реальностям автоматического проектирова­ния электрических машин.

Большинство расчетных методик исходит из «машинной постоянной», определяемой из допустимых электромагнитных нагрузок.

Машинная постоянная Арнольда рассчитывается по ниже приведенной зависимости:

,

где D – диаметр якоря машины постоянного тока или внутренний диаметр статора, м;

 – расчетная длина воздушного зазора, м

 – расчетная мощность, Вт;

 – линейная нагрузка, А/м;

, ,  – коэффициенты.

Определив  для различных типов электрических машин, далее можно получить базу для их расчетов. Машинная постоянная не является постоянной величиной и зависит от электромагнитных нагрузок, напряжения, типа используемой изоляции, системы охлаждения, стоимости материалов, надежности работы машины, суммы капитальных и эксплуатационных затрат и других факторов.

Эссон в двадцатых годах пред­ложил при проектировании приме­нять коэффициент использования машины – момент на единицу объ­ема, по существу величину, обрат­ную постоянной Арнольда.

Машинная постоянная Рихтера есть момент, отнесенный к единице поверхности якоря. В машинной постоянной К.И. Шенфера вместо внутреннего диаметра статора ис­пользуется внешний диаметр.

В 1926 г. В.С. Кулебакин при выборе главных размеров синхрон­ных машин учитывал токи коротко­го замыкания. В 1934 г. Б.П. Апаров для синхронных машин пред­ложил при выборе главных разме­ров исходить из необходимой крат­ности пускового и максимального моментов.

Г.Н. Петров в /1/ вводит по­нятие единичной машины и каса­тельной силы, действующей на еди­ницу поверхности ротора. Каса­тельная сила зависит от мощности машины, но даже у самых крупных машин не превосходит 0, 03 – 0, 04 МПа. Даже на сегодняшний день нет единого подхода к выбору ос­новных размеров машины.

Масса является одним из основ­ных факторов, характеризующих технический уровень электрических машин. По сравнению с 1913 г. масса асинхронных двигателей со­временных серий снижена в 3 раза. Наиболее значительное снижение массы было достигнутое 1920 – 1950 гг. Предполагается, что в 1980 – 1990 гг. сокращение массы может составить не более 4 – 5%. В дальнейшем будет еще труднее обеспечить снижение массы при практически неизменном уровне энергетических показателей элект­рической машины. Даже неболь­шой процент сокращения расхода активных материалов потребует серьезных работ по усовершенство­ванию технических свойств изоля­ционных и магнитных материалов. Эти условия необходимы, так как выпуск асинхронных машин единой серии в России постоянно увеличивается.

Удельный расход материалов в турбогенераторах с 1952 г. снизил­ся более чем в 3 раза. Турбогенера­тор 150 тыс. кВт с водородным ох­лаждением весил 350 т. Турбогене­ратор ТВВ-1200-2 имеет массу на единицу мощности, равную 0, 457 кг/(кВ·А).

Как следует из сказанного выше, размеры машины зависят от индукции в воз­душном зазоре  и линейной на­грузки А.

При рассмотрении электричес­кой машины как объекта разработ­ки необходимо учитывать объем и длительность проектных, расчетных и технологических работ. Предпроизводственные работы включают изготовление рабочих чертежей, технологической оснастки и изго­товление опытных образцов. Предпроизводственный этап тре­бует достаточно много времени и в нем участвуют большие коллективы конструкторов и технологов. Качество разработки проекта оп­ределяет судьбу электрической ма­шины в производстве и эксплуата­ции.

Электрическая машина как объ­ект производства должна иметь минимальную трудоемкость и ми­нимальные капитальные вложения в производство. Для этого она дол­жна иметь технологичную конст­рукцию, максимально использовать существующее технологическое обо­рудование и оснастку.

Важнейшим требованием явля­ется минимальная материалоем­кость. Экономия электротехничес­кой стали, меди, алюминия, изоля­ции и конструкционных материалов является важнейшим требованием при создании новой электрической машины. С экономней материалов связано создание машин, имеющих минимальные отходы материалов при изготовлении. Электрические машины с безотходной технологией изготовления имеют преимущества перед обычными машинами, если сохраняются требования к машине как к объекту эксплуатации.

Как объект эксплуатации элект­рическая машина должна иметь высокие показатели (КПД и cosφ ). Электрические машины с мини­мальными потерями позволяют уменьшить вложение материалов в энергосистему. Высокие энергети­ческие показатели электрической машины гарантируют снижение уровня текущих затрат на эксплуа­тацию и капитальные вложения потребителя.

Показатели экономической эф­фективности электрической маши­ны могут быть установлены на ос­новании анализа приведенных за­трат, которые включают затраты на изготовление и эксплуатацию ма­шины.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: