Особенности моделирования клеток ротора асинхронных электродвигателей в специализированной среде

В рамках данной статьи, рассматривается реализация способа моделирования технических средств повышения пусковых показателей электрических машин переменного тока, в основе которого лежит создание и исследование модели в среде полевого моделирования. Статья является развитием и дополнением - [1].

Прежде чем приступать к моделированию конструкций модифицированных клеток ротора асинхронного двигателя (см. [1]), необходимо выбрать исходную модель электрической машины, расчетные данные которой лягут в основу исследования. При выборе объекта исследования, было установлено, что реализация выбранного метода снижения пускового тока возможна как на маломощных, так и на высокомощных электродвигателях. Для этого используется эффект вытеснения тока в клетках ротора. Однако, в высокомощных электродвигателях, обозначенный эффект является более выраженным и влияет на пусковые показатели в большей степени.

В соответствии с [1], задачей исследования являлась разработка конструкции клетки ротора асинхронного электродвигателя, в которой за счет эффекта вытеснения тока достигается изменение активного сопротивления короткозамыкающих колец при пуске в 15-20 раз.

В ходе предварительных расчетов было констатировано, что электрические машины малой мощности, в пределах до 100 кВт, не подходят для проведения исследования, так как эффект вытеснения тока в таких электродвигателях не оказывает значительного влияния на изменение активного сопротивления короткозамыкающих колец. Таким образом, затраты на реализацию таких конструкций считаются не оправданными.

Объектом для моделирования послужил электрический двигатель 4А355М2У3, мощностью 315 кВт, частотой вращения - 3000 об/мин. Внешний диаметр ротора электродвигателя равняется 307 миллиметрам, а размеры поперечного сечения короткозамыкающего кольца ротора равны 45х50 миллиметров.

Кроме подбора объекта моделирования, необходимо было выбрать пакет моделирования, который подходит для выполнения поставленной задачи. В ходе изучения дополнительных материалов и тестов нескольких программных пакетов, предназначенных для моделирования электромагнитного поля и, в то же время находящихся в свободном доступе, было установлено, что оптимальным вариантом является программа – FEMM. Это решение обосновано такими факторами как - относительная простота использования пакета и наличие в нём всех необходимых функциональных возможностей, необходимых для реализации поставленной задачи. Для электродвигателя 4А355М2У3 в этой среде была создана расчетная модель клетки ротора, которая далее называется эталонной моделью. Моделирование эталонной модели можно поделить на некоторое количество этапов:

• 1)    Выбор типа задачи.

Выбранный пакет представляет определенный спектр функций, для решения разных типов задач. Исходя из того, что исследуется электромагнитное поле, в пакете моделирования был выбран тип задач Magnetics problem, что означает среду для решения задач электромагнитного характера.

• 2)    Задание первичных условий.

Данное понятие является условным и вводится автором статьи. Оно подразумевает под собой: выбор системы координат, установка единиц измерения расстояний между координатами, задание необходимой частоты тока, толщины разрабатываемой модели и прочие дополнительные параметры сетки. В ходе подготовки было принято, что система координат будет осесимметричной, поскольку она является удобной для представления цилиндрического ротора электродвигателя и позволяет получить наиболее наглядную картину решения. Единицы измерения координат – миллиметры. 3) Задание вторичных условий.

Как и предыдущее понятие – условно и введено автором статьи. Включает в себя: выбор требующихся материалов, создание необходимых граничных условий и задание необходимой величины силы тока. Таким образом, были созданы и внесены в программу дополнительные материалы клетки ротора, со свойственными им характеристиками, которые приведены ниже в таблице 1. Кроме того, произведен выбор граничных условий модели.

Таблица 1 Физические свойства материалов

Название материала	Электрическая проводимость, МСм/м	Относительная магнитная проницаемость
Воздух	0	1
Алюминий	35	1
Электротехническая сталь	0	1000

• 4)    Разработка формы и размеров исходной конструкции.

Исходная заготовка модели конструкции, на основе которой будет проводиться исследование, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Эскиз расчетной модели.

5) Задание физических свойств областей модели.

Этап заключается в переносе формы и размеров моделируемой конструкции в программный пакет и расстановке заданных вторичных условий.

6) Расчёт модели.

Подача программному пакету команды к выполнению расчета модели, которая представлена ниже, на рисунке 2.

В результате испытания данной модели в среде FEMM, было получено определенное количество данных, в том числе и значений сопротивлений короткозамыкающего кольца, которые совпадают с данными из справочника [8], что позволяет принять данную модель за эталонный образец, на основе которого будет проводиться исследование модифицированных конструкций клеток ротора.

Оценка результатов моделирования проводилась по коэффициентам, которые позволяют оценить разработанные конструкции с точки зрения эффективности изменения сопротивлений между пусковым - 50 Гц и рабочим - 1 Гц режимами. Формула для расчета полного сопротивления клетки ротора имеет вид (1). Упомянутые коэффициенты представлены ниже формулами (2)-(4).

Z = Vr2 + x2(1)

где, Z - полное сопротивление клетки, r - активное сопротивление клетки, x - индуктивное сопротивление клетки.

Kz = Zr(2)

^z 1

где, K_z - коэффициент изменения полного сопротивления клетки, z₅₀ и Z 1 -полные сопротивления кольца при частоте тока 50 и 1 Гц.

Kr = т0(3)

^r 1

где, K_T - коэффициент изменения активного сопротивления клетки, г₅₀и т \ -активные сопротивления кольца при частоте тока 50 и 1 Гц.

Kl = L°(4)

L₁ где, K_L - коэффициент изменения индуктивности кольца, L 50 и L 1 - индуктивные сопротивления кольца при частоте тока 50 и 1 Гц.

Выводы и основные результаты работы.

• 1)    Создана эталонная модель электродвигателя 4А355М2У3, которая служит основой дальнейшего исследования модифицированных клеток ротора.

• 2)    Модель позволяет исследовать клетки ротора различной геометрической конфигурации.

• 3)    Модель так же позволяет исследовать различные физические структуры клеток, в частности, комбинации из ферромагнитных и немагнитных материалов.

• 4)    Модель предполагается использовать для исследования клеток с неоднородными экранами, представленными в [1].