Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками
Автор: Тихонова Ольга Валерьевна, Малыгин Игорь Вячеславович, Пластун Анатолий Трофимович
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Электроэнергетика
Статья в выпуске: 1 т.22, 2022 года.
Бесплатный доступ
Асинхронный двигатель с кольцевыми обмотками (АДКО) предназначен для переработки ядерных отходов в условиях повышенной радиации и температуры. Для увеличения срока службы машины в тяжелых рабочих условиях катушки обмотки статора АДКО покрываются керамической изоляцией, обладающей повышенной устойчивостью к радиации, но при этом данный тип изоляции обладает высокой хрупкостью, что приводит к необходимости выполнять катушки обмотки статора концентрической формы, чтобы минимизировать угол сгиба катушки при изготовлении обмотки, в то время как обмотки статора классических машин выполняются в форме «лодочки». Статор АДКО также имеет специфическую конструкцию, отличную от конструкции статора классического асинхронного двигателя, состоящую из зубцовых наконечников, расположенных вокруг оси вращения, и зубцовых сердечников, размещенных поверх зубцовых наконечников по спирали. Первый опытный образец АДКО, изготовленный УрФУ совместно с ЗАО «Уралэлектромаш», выполнен на тех же диаметрах, что и асинхронный двигатель классической конструкции мощностью Р = 2,2 кВт, с синхронной скоростью вращения n = 1000 об/мин. Одной из задач на данном этапе разработки АДКО является проверка возможности изготовления нового двигателя в тех же габаритах и с теми же параметрами, которые присущи серийному асинхронному двигателю серии АО2. Одним из способов оценки характеристик АДКО является определение параметров схемы замещения и электромагнитных моментов двигателя и сравнение полученных параметров с данными двигателя серии АО2. Принципиально новая конструкция якоря предполагает поиск новых решений для определения параметров машины: индуктивных сопротивлений, электромагнитных моментов. В статье рассматривается метод расчета параметров схемы замещения АДКО с помощью прикладного программного пакета ANSYS Maxwell в 3D-режиме. Для определения индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора используется статический анализ модели с вынутым ротором; взаимное индуктивное сопротивление определяется как разность между полным индуктивным сопротивлением фазы обмотки статора и индуктивным сопротивлением рассеяния. В работе проводится анализ параметров схемы замещения с помощью характеристик холостого хода и короткого замыкания АДКО, полученных в ANSYS Maxwell. Расчет механической характеристики двигателя типа АДКО проводится двумя способами: с помощью аналитического метода (АМ), предполагающего использование расчетных параметров схемы замещения, и методом конечных элементов (МКЭ). Использование МКЭ для расчета механической характеристики подразумевает анализ АДКО в динамическом режиме, что позволяет при заданной пользователем скорости вращения ротора определить электромагнитный момент. В заключение приводится сравнительный анализ параметров двигателя классического исполнения серии АО2 и АДКО, выполненных в одном габарите, проводится оценка возможности выполнения двигателя АДКО мощностью Р = 2,2 кВт в тех же габаритах, что и серийный двигатель АО2, даются рекомендации по дальнейшему улучшению конструкции двигателя типа АДКО.
Асинхронный двигатель, электромагнитный момент, схема замещения, индуктивные сопротивления, ansys maxwell
Короткий адрес: https://sciup.org/147237516
IDR: 147237516 | УДК: 621.3.042
The equivalent circuit parameters calculation of induction motors with ring windings
Induction motors with ring windings (IMRW) are designed for the processing of nuclear waste. The stator winding coils are covered with ceramic insulation to allow for long-term operation in conditions of increased radiation. The stator coils are ring shaped, in order to reduce the bend angle. The stator has a specific design consisting of tooth tips located around the axis of rotation and tooth cores placed over the tooth tips in a spiral. The first IMRW prototype was manufactured by UrFU together with “Uralelectromash”. It was designed to the same diameters as an induction motor of a classical design with a power P = 2.2 kW, with a synchronous rotation speed n = 1000 rpm. The fundamentally new armature design involves the search for new solutions for determining machine parameters, such as inductances, electromagnetic torques. The article discusses a method of equivalent circuit parameter calculation for IMRW using the “ANSYS Maxwell” in 3D mode. In order to determine stator winding leakage inductances, a static analysis of the model with the rotor removed was used. Mutual inductance is defined as the difference between stator winding phase impedance and leakage inductance. The active resistance of the magnetizing circuit and the impedance of the motor can be determined using the IMRW no-load and short-circuit characteristics obtained in ANSYS Maxwell. The paper also provides an example of calculating the mechanical characteristics of a motor using the analytical method (AM).This involves the use of equivalent circuit parameters, and the finite element method (FEM). The use of FEM for calculating the mechanical characteristics implies the analysis of IMRW in a dynamic mode. This allows the electromagnetic torque to be determined at a user-specified rotor speed. In conclusion, a comparative analysis of the parameters of a classic engine and IMRW engine, of the same size, is given. Recommendations are given for further improvement of the design of IMRW engines.
Список литературы Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками
- High temperature nanocomposite insulation for high power density machines / W. Yin, R. Flanagan, R. Zhao et al. Текст: электронный // 2016 IEEE International Conference on Dielectrics (ICD). Montpellier, France, 2016. DOI: 10.1109/ICD.2016.7547620
- Nanostructured-coated XPLE showing improved electrical properties: Partial discharge resistance and space charge accumulation / D. Fabiani, G. Montanari, A. Cavallini et al. Текст: электронный // Proceedings of 2011 International Conference on Electrical Insulating Materials (ISEIM). Kyoto, Japan, 2011. DOI: 10.1109/ISEIM.2011.6826265
- Nanostructured hybrid sheets for electrotechnical high-power insulating applications: The sol-goal route / L. Banet, G. Camino, J. Castellon et al. Текст: электронный // 2012 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP). Monreal, QC, Canada, 2012. DOI: 10.1109/ CEIDP.2012.6378931
- Ильин А.Н. Полимерцемент как электроизоляционный материал для электротехнических систем // Электротехнические системы и комплексы. 2015. № 1 (26). С. 25-27.
- Нанооксидные материалы для повышения эксплуатационных характеристик машин переменного тока / М.В. Баранов, А.Р. Бекетов, В.И. Денисенко и др. // Труды Свердловского научно-исследовательского института химического машиностроения. Серия: Оборудование для оснащения технологических производств. 2012. Вып. 20 (84). С. 68-76.
- Патент 2121207 Российская Федерация, МПК6 H02K 1/16. Якорь многофазной электрической машины / А.Т. Пластун; заявитель А.Т. Пластун. № 96111144/09; заявл. 09.06.1996; опубл. 27.10.1998; Бюл. № 30. 10 с.
- Патент 2684898 Российская Федерация, МПК6 H02K 1/16, Н02К 3/238. Якорь многофазной электрической машины / А.С. Бердичевский, А.Т. Пластун, О.В. Тихонова и др.; заявитель УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина. № 2018111892; заявл. 02.04.2018; опубл. 16.04.2019; Бюл. № 11. 38 с.
- Optimal design of Axial-Flux Induction Motors based on an improved analytical model / S. Kahourzade, A. Mahmoudi, E. Roshandel, Z. Cao. Текст: электронный // Energy. 2021. DOI: 10.1016/j.energy.2021.121552
- Boughrara K., Dubas F., Ibtiouen R. 2-D analytical prediction of eddy currents, circuit model parameters, and steady-state performances in solid rotor induction motors // IEEE Transactions on Magnetics. 2014. DOI: 10.1109/TMAG.2014.2342666
- Hong C., Huang W., Hu Z. Design and analysis of a high-speed dual stator slotted solid-rotor axial-flux induction motor // IEEE Transactions on Transportation Electrification. 2019. P. 71-79. DOI: 10.1109/TTE.2018.2880301
- Dianati B., Kahourzade S., Mahmoudi A. Analytical design of axial-flux induction motors // 2019 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. DOI: 10.1109/VPPC46532.2019.8952172
- Eremochkin S., Dorokhov D. Analysis of Methods for Calculating Parameters of the Equivalent Circuit of a Squirrel Cage Induction Motor // 2021 XVIII International Scientific Technical Conference Alternating Current Electric Drives (ACED). 2021. DOI: 10.1109/ACED50605.2021.9462297
- Efficient Approach Based on Equivalent Electric Circuit Model to Determine Rotor Bar Currents of Squirrel Cage Induction Machines / J. Marault, A. Tounzi, F. Gillon, M. Hecquet. Текст: электронный // IEEE Transactions on Magnetics. 2021. DOI: 10.1109/TMAG.2020.3011612
- Simulation Calculation of Loss of Induction Traction Motor / N. Duan, X. Ma, S. Lu, S. Wang // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2020. P. 599-606. DOI: 10.1007/978-981-33-6609-1_54
- An Analytical-Numerical Approach to Model and Analyse Squirrel Cage Induction Motors / A. Marfoli, L. Papini, P. Bolognesi, C. Gerada // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2021. P. 421-430. DOI: 10.1109/TEC.2020.3007385
- Analytical Calculations of Magnetic Fields Induced by MMF Spatial Harmonics in Multiphase Cage Rotor Induction Motors / H. Chen, J. Zhang, J. Zhao et al. // IEEE Transactions on Magnetics. 2021. DOI: 10.1109/TMAG.2021.3103643
- Vassent E., Meunier G., Foggia A. Simulation of induction machines using complex magnetodynamic finite element method coupled with the circuit equations // IEEE Transactions on Magnetics. 1991. P. 4246-4249. DOI: 10.1109/20.105039
- Проектирование электрических машин: учеб. для вузов / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Мо-розкин, Б.Ф. Токарев; под ред. И.П. Копылова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Юрайт, 2011. 767 с. ISBN 978-5-9916-0904-3.
- Вольдек А.И. Электрические машины: учеб. для студентов высш. техн. учеб. заведений. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергия, 1974. 840 с.
- Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: учеб. для вузов: в 2 т. 2-е изд., перераб. и доп. М.: МЭИ, 2006. Т. 2. 652 с. ISBN 5-903072-52-6.
