Параметрическая оптимизация синхронных реактивных электрических машин

Говоря об усовершенствовании электромеханических преобразователей необходимо отметить быстродействие системы. В частности это относится к созданию «именных» машин, которые произведены для конкретных промышленных механизмов. Так как одни из них относится главных привод стана холодной прокатки ХПТ-450.

Многие авторы, затрагивающие проблему данного агрегата, сходятся в необходимости уве-

Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2023, vol. 23, no. 4, pp. 66–70 ISSN 1990-8512 (Print) ISSN 2409-1057 (Online)

Максимов Н. М., Головань И. Н.,   Повышение энергоэффективности асинхронной электрической

Кушнарёв В. А., Бухтояров В. Ф. машины за счет оптимизации удельных показателей личения энергоэффективности электропривода. Так как от этого зависит не только скорость производства бесшовных труб, а также качество проката. Лучшим выбором является использование синхронной реактивной машины с независимым возбуждением (СРМНВ), которая умеет высокие удельные показатели. Представленными исследованиями занимались авторы Усынин. Ю.С., Григорьев М.А., Белоусов Е.В., Виноградов К.М. и т.д. [1-4]. Главной идеей является увеличение быстродействия системы для увеличения высокого позиционирования с обеспечением высокого крутящего момента, превышающего 3-4 номинала. Авторами достигнуты решения по уменьшению числа механических передач, для достижения динамических нагрузок, а также оптимизировать СРМНВ для улучшения удельных массогабаритных показателей. Полученные результаты позитивно повлияли на работы стана холодной прокатки, увеличив качество продукции, а также уменьшив количество остановов и аварии оборудования.

В СРМНВ используется зубчатый ротор, представляющий из себя простую металлическую «болванку» из электротехнической стали. Данная конструкция проста и способна выдерживать высокую нагрузку. Однако, необходимо учесть и минусы данной конструкции, а именно высокая амплитуда пульсация. Авторами [2,3,5,6] предложено решение использовать многофазную статорную обмотку и изменить геометрию фазного напряжения для изменения формы магнитного поля.

Использование неявнополюсного ротора в синхронной реактивной машине (СРМ) могло бы решить проблемы с пульсациями электромагнитного момента, а также уменьшить зазор между статором и ротором. На данный момент существу- ет два типа неявнополюсного ротора: TLA и ALA. В свою очередь ALA ротор имеют высокую магнитную проницаемость, однако его применение ограничено механической прочностью, ввиду конструктивных особенностей. Поэтому предпочтение отдается TLA ротору, выполненному из анизотропной стали для увеличения эффекта магнитной проницаемости.

Посторенние и исследование математической модели СРМ

Для проведения исследования по достижению эффективной геометрии ротора для СРМ в программе ANSYS Maxwell 2D спроектированы несколько математических моделей электрических двигателей с разной геометрией роторов. (рис. 1). За основу приняты размеры статора асинхронного двигателя с техническими характеристиками, представленными в таблице 1.

Таблица 1 Технические параметры исследуемого электрического двигателя

Table 1

Technical parameters of the electric motor under study

Параметр	Значение
Мощность, кВт	315
Номинальное напряжение, В	660
Частота	40
Номинальный ток, А	320
Номинальная частота вращения, об/мин	1180
КПД	0,95
cosφ	0,87

Для ротора подобрана специальная анизотропная электротехническая сталь на базе 2412 стали.

а)

б)

в)

Рис. 1. Варианты исполнения геометрии ротора СРМ а) «идеальный»; б) TLA-1; в) TLA-2 Fig. 1. SRM rotor geometry options a) “ideal”; b) TLA-1; c) TLA-2

в

(• Normal

C Intrinsic

OK

Cancel

Swap X-Y Data |

Г Show all curve;

Import Dataset... |     | Export data:

H (A_per_meter)

Рис. 2. Настройка характера кривой намагничивания электротехнической стали в зависимости от петли гистерезиса

Fig. 2. Setting the nature of the magnetization curve of electrical steel depending on the hysteresis loop

С помощью изменения параметров материала, включающего изменения кривой намагничивания, задания анизотропии и потерь на перемагничивание и гистерезис (рис.2) позволяет в широком спектре рассмотреть картину переходных процессов магнитной индукции и напряженности.

Одним распространенным методом оптимизации является параметрических анализ, позволяющий варьировать пользовательский параметр в определенной области данных. В этом случае можно определить оптимальное отношение варьируемого параметра к электромагнитному параметру машины. В качестве изменяемого параметра выбрана толщина немагнитопроводящего зазора ротора, а также расстояние между ними. Для идеального ротора характерна минимальная толщина зазора, при условии, что в этом промежутки проводимость ровняется 0. В реальности этого добиться весьма сложно и это свойственно для конструкции ALA ротора.

Следующим этапом проведен анализ эффективности работы электрического двигателя для каждого исполнения геометрии ротора. Собраны данные о протекании магнитной индукции по всей окружности ротора для выявления отношения Ld/Lq, которое свидетельствует о максимальном электромагнитном моменте, создаваемым двигате- лем.

Одним распространенным методом оптимизации является параметрических анализ, позволяющий варьировать пользовательский параметр в определенной области данных. В этом случае можно определить оптимальное отношение варьируемого параметра к электромагнитному параметру машины. В качестве изменяемого параметра выбрана толщина немагнитопроводящего зазора ротора, а также расстояние между ними. Для идеального ротора характерна минимальная толщина зазора, при условии, что в этом промежутки проводимость ровняется 0. В реальности этого добиться весьма сложно и это свойственно для конструкции ALA ротора.

Следующим этапом проведен анализ эффективности работы электрического двигателя для каждого исполнения геометрии ротора. Собраны

Таблица 2

Table 2

Полученные данных исследования СРМНВ для разной геометрии ротора

Obtained data from the study of SRMNV for different rotor geometries

Тип ротора	Мср, кНм	Ммакс, кНм	М30 град., кНм	Мср, кНм	Ммакс, кНм	М30 град., кНм
Плотность тока, А/мм2	4			6
FRRM_Ideal	2,23	4,625	3,245	3,33	7,26	5,21
FRRM_TLA-1	1,64	3	2,12	2,385	4,34	3,125
FRRM_TLA-2	1,35	2,61	1,78	1,98	3,54	2,79

Максимов Н. М., Головань И. Н.,   Повышение энергоэффективности асинхронной электрической

Кушнарёв В. А., Бухтояров В. Ф. машины за счет оптимизации удельных показателей данные о протекании магнитной индукции по всей ного момента, однако данную теорию необходимо окружности ротора для выявления отношения Ld/Lq, которое свидетельствует о максимальном электромагнитном моменте, создаваемым двигателем.

В результате получили, что ротор типа ALA имеет на порядок выше отношение Ld/Lq, чем тип TLA. Однако отмечено, что конструкция ALA ротора ненадежна, ввиду конструктивного исполнения. Таким образом, принял-то использовать ротор типа TLA, с оптимизированной геометрией под максимальный момент.

Вывод

Исследования показали, наличие у ротора прямоугольной формы геометрии негативно влияет на магнитную проницаемость ротора. Разница в процентном соотношении от «идеальной» геометрии ротора составляет порядка 40% при среднеквадратичном моменте и от 43 до 51% при максимальном в зависимости от плотности тока. Также стоит отметить уменьшение отношения между средним и максимальным значением момента при увеличении плотности тока. Это может говорить о снижении амплитуды пульсаций электромагнит- проверить в динамике.

Говоря о геометрии ротора представленной под TLA-1, выявлено отличие от «идеальной» геометрии на 26-28% для среднеквадратичного момента и 35-40% для максимального. Отношение среднеквадратичного момента к максимальному составляет от 1,8 до 1,9 при разных значениях плотности тока, что говорит о равномерной работе двигателя. Таким образом, использование более сглаженной формы немагнитного материала, позволяет достичь лучших удельных показателей. Уменьшение толщины «барьеров» не дает нужного эффекта, как в случае с «идеальным» ротором, так как воздух, заполняющий данные промежутки, при уменьшении зазора может пропускать магнитную индукцию в поперечном направлении, что не допустимо.

Исходя из условий механической надежности ротора при воздействии динамических и центробежных усилий, необходимо обеспечить толщину перемычки от края наружного диаметра до начала воздушной диамагнитной вставки не менее 3,5 мм.