О выборе конструкций и материалов асинхронного двигателя

В настоящее время коллективы ООО Научно-технический центр «Микротурбинные технологии»», ООО «Газпром Трансгаз — Санкт-Петербург» и кафедры турбинных двигателей и установок СПбГПУ ведут на кафедре ТДУ и на ГРС Сертолово широкомасштаб-

ные экспериментальные исследования микро-турбодетандерного генератора МДГ-20. Эти работы позволят создать отечественную микротурбинную установку способную конкурировать с лучшими аналогичными зарубежными установками.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Данилевич, Я.Б. Роль децентрализованной энергетики в общей энергосистеме [Текст] / Я.Б. Данилевич, АН. Коваленко, И.Ю. Кручинина / Академия энергетики,— 2008. N° 1,— С. 42—45.

2. Филиппов, С.П. Малая энергетика в России |Текст| / С.П. Филиппов // Теплоэнергетика,— 2009. № 8,- С. 38-44.

3. Капралов, Д.А. Распределенное производство энергии должно гармонично дополнять существующие энергосистемы |Текст| / Д.А. Капралов // Турбины и дизели,- 2005. № 9-10,- С. 2, 3.

4. Акшель, В.А. Энергоцентры на базе микротурбинных установок [Текст] / В.А. Акшель // Энергосбережение,— 2006. N° 5,— С. 73-76.

5. Кривобок, А.Д. Микротурбинные установки [Текст] / А.Д. Кривобок // Газотурбинные техно-

логии,- 2006. № 7-8,- С.10-15.

6. Мельник, Г.В. Системы автономного распределенного энергоснабжения: микротурбины |Текст] / Г.В. Мельник // Двигателестроение,— 2006. № 4,- С. 46-51.

7. Соколов, C.B. Опыт применения микротурбинных установок [Текст] / C.B. Соколов // Газотурбинные технологии,— 2006. № 12,— С. 6-10.

8. Беседин, С.Н. Разработка и создание микротурбинного генератора электрической мощностью 100 кВт (МТГ-100) [Текст| / С.Н. Беседин // Изобретатели и инновационная политика России: материалы Всероссийского форума / Под ред. Ю.Г. Попова и А.Г. Семенова,— СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2011,- С. 80-84.

УДК 621.313

И.Ю. Кручинина

О ВЫБОРЕ КОНСТРУКЦИЙ И МАТЕРИАЛОВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Принципы энергосбережения и экологии, связанные с ужесточением требований к охране окружающей среды, привели к необходимости разработки новых серий высокоэффективных электрических машин.

Например, одна из задач — создание экологически чистых погружных асинхронных электродвигателей, способных работать в среде коррозионной пластовой жидкости (смесь нефти и воды в любой пропорции, минеральных примесей и нефтяного газа) с температурой до 150 °С и давлением до 30 МПа [1].

В настоящее время в приводах центробежных насосов для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин используются трехфазные асин-

хронные короткозамкнутые погружные масло-заполненные двигатели серии ПЭД, конструкция и элементы защиты которых не обеспечивают в полной мере их надежную работу Вместе с тем увеличение глубины скважин требует работы двигателя при температурах 150 °С и давлении 30 МПа. Применение новых электродвигателей позволит увеличить глубину скважин, значительно (почти вдвое) сократить длину применяемых погружных электродвигателей серии ПЭД и заменить экологически грязную маслозаполненную машину на экологически чистую [1].

Выбор для этих целей асинхронного двигателя с массивным ротором обоснован рядом пре-

имуществ данной конструкции. К достоинствам относится относительно высокая кратность пускового момента по сравнению с обычным двигателем с короткозамкнутой обмоткой на роторе, особенно это касается двигателей малой и средней мощности. Из практики электромашиностроения известно, что асинхронный двигатель с массивным ротором имеет пусковой ток по крайней мере в 1,5—2,0 раза ниже, а пусковой вращающий момент выше, чем у асинхронных двигателей с короткозамкнутой обмоткой на роторе [2]. В двигателях с массивным ротором возможно регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения за счет мягкой механической характеристики двигателя, для них характерны повышенная термическая стойкость в переходных процессах, практическое отсутствие пульсаций вращающего момента.

Однако всех этих преимуществ на практике оказалось недостаточно для широкого применения двигателей с массивным ротором из-за низких значений КПД и коэффициента мощности в номинальном режиме. Еще в 1928 году И.С. Брук указывал, что асинхронная машина с массивным ротором была бы идеальной, если бы удалось улучшить ее КПД при номинальной нагрузке [2]. Эффективность асинхронных машин с массивным ротором невелика из-за относительно высокого номинального скольжения, связанного с повышенными значениями параметров вторичной цепи машины — активного и индуктивного сопротивления ротора. Большое сопротивление ротора приводит к увеличению джоулевых и добавочных потерь, вызванных высшими гармониками поля на поверхности ротора. В результате номинальная мощность двигателей с массивным ротором при тех же габаритах, что и у обычных, ниже на 25—35 % при более низком КПД [2].

Эти особенности обусловили специальные области применения асинхронных двигателей с массивным ротором, например в качестве высокооборотных машин, для которых проблема прочности менее актуальна, чем для машин с ко-роткозамкнутыми роторами или синхронных. Поскольку совф при пуске у них выше, чем у машин с короткозамкнутым ротором (особенно у двигателей малой и средней мощности), то применение таких машин выгодно при повторно-кратковременных режимах работы. Этот тип машин применяется в электроприводах судовых

грузоподъемных и швартовых механизмов, в электроприводах с тяжелыми условиями пуска (компрессоры, сепараторы, центрифуги), в системах автоматики, управления, ориентации и наведения, где необходим широкий диапазон регулирования частоты вращения, в гироскопах, аппаратах звукозаписи, в позиционных электроприводах (запорная аппаратура, дистанционное включение автоматических выключателей).

Различные варианты погружного асинхронного двигателя с массивным ротором для нефтяных скважин (в коррозионно- и термостойком исполнении), который предназначен для подключения к станции управления с частотным преобразователем и должен обеспечивать режимы работы 12/18 кВт, 750/1500 В, 3000/6000 мин"1, представлены в [3].

В отечественный практике известен опыт изготовления массивных роторов асинхронных машин малой и средней мощности на основе сплавов никель — медь, алюминий — железо, железо — никель, железо — медь с легирующими добавками. Каждый из вариантов материала ротора имеет свои достоинства и недостатки. Исходя из экономических критериев на практике для изготовления машин используются в основном сплавы СМ-20 (20 % меди), СМ-25 (25 % меди), СМ-60 (60 % меди) [2].

Цель исследования — оценка влияния и выбор варианта конструктивного исполнения материала ротора, обеспечивающих наилучшие показатели эффективности асинхронного двигателя.

В работе использованы два метода расчета электромагнитного поля ротора: аналитический расчет поля ротора, развернутого в плоскость, и расчет двухмерного плоскопараллельного поля ротора численным методом [4].

На первом этапе расчета по методике, изложенной в [2], предварительно определяют эквивалентные параметры ротора. Из уравнений электромагнитного поля Максвелла для проводящей среды находят напряженности электрического и магнитного полей в массиве ротора и вектор Пойтинга. Активную и реактивную, передаваемую в ротор через воздушный зазор, мощности, находим интегрированием вектора Пойтинга по внешней поверхности ротора. Полученные мощности соответствуют определенному току ротора и скольжению. При предварительном расчете эквивалентных сопротивлений

ротора учитывается зависимость магнитной проницаемости материала ротора (д,. только от тока ротора, т. е. используется зависимость магнитной проницаемости |д(. от скольжения при заданной геометрии ротора. В действительности магнитная проницаемость материала ротора сложным образом зависит от многих факторов, в том числе от тока ротора, скольжения, магнитной индукции основного магнитного поля, геометрических размеров ротора. Она изменяется как во времени, так и в пространстве, различна на разных участках ротора. Окончательный учет этих факторов выполнен численным методом, изложенным в [4].

Исходными данными для моделирования методом конечных элементов служат предварительно определенные значения тока статора, номинальное скольжение, геометрические размеры двигателя, кривые намагничивания В =ЛН) и удельные сопротивления материалов статора и ротора. Геометрические данные асинхронного двигателя: длина сердечника — 1100 мм, диаметр ротора — 60,2 мм, число фаз — 3, число полюсов — 2, число пазов статора — 24, число витков на фазу — 48.

В результате численных исследований плоскопараллельного электромагнитного поля найдены распределения векторного магнитного потенциала, магнитной индукции, плотности наведенных вихревых токов в массивном роторе, а также расчетная магнитная проницаемость материала ротора в поперечном сечении магни-топровода. По полученным данным рассчитаны величины потерь в теле ротора и электромагнитный момент, приложенный к ротору. Для постро-

ения механической характеристики расчет проводился последовательно при различных значениях тока статора и скольжения, задаваемого в модели приложенной частотой вращения.

Распределение векторного магнитного потенциала, расчетной магнитной проницаемости материала ротора в поперечном сечении магнито-провода для тока статора 15 Аи скольжения 0,025 приведены на рис. 1.

Для выбора оптимального решения по исполнению двигателя с точки зрения получения наибольших КПД и коэффициента мощности cos 9 исследованы три варианта конструкций ротора и проведены материаловедческие исследования вариантов с различными материалами ротора.

Влияние материала ротора на показатели эффективности асинхронного двигателя с массивным ротором

В качестве материалов массивного ротора выбраны три: сталь 3, железомедный сплав СМ20 (содержание меди — 20 %, удельное электрическое сопротивление — 1,3-10_70м-м) иже-лезомедный сплав СМ25 (содержание меди — 25 %, удельное электрическое сопротивление — 1,14-10_7Ом-м), чьи характеристики намагничивания приведены в [2]. Результаты расчетов показателей эффективности двигателя с различными материалами массивного ротора приведены в 1—3 строках табл.1. Результаты расчета показывают, что из рассмотренных вариантов наиболее перспективным для массивного ротора материалом является железо-медный сплав СМ25 [3]. КПД асинхронного

о)

б)

NODAL SOLUTION SUB =999999

REAL ONLY BSUM

RSYS=0

SMN =.107E-03 SMX =2.093

Рис.1. Распределение векторного магнитного потенциала:

а — индукция в поперечном сечении м агнитопр о в ода; б — расчетная магнитная проницаемость материала ротора

двигателя с массивным ротором изжелезо-мед-ных сплавов увеличивается на 27 % относительно КПД асинхронного двигателя с железным ротором, при этом на 21 % снижается ток статора при номинальной мощности.

Влияние конструкции массивного ротора на показатели эффективности асинхронного двигателя

Сравнение гладкого и шлицованного массивных роторов. Из публикаций [5, 6] известно, что наличие определенного расчетного количества и размера шлицов в массивном роторе асинхронного двигателя улучшает его параметры.

Численное моделирование асинхронных двигателей с гладким массивным ротором и шлицованным массивным ротором показало, что

наличие шлицов на роторе позволяет повысить КПД двигателя и cos 9 примерно на 10—11 % .

Расчетные показатели эффективности приведены в первой и четвертой строках табл. 1. На рис. 2 для иллюстрации показаны распределения плотности тока, наведенного в массивном роторе полем статора, для моделей массивного и шлицованного ротора.

Сравнение гладкого и двухслойного массивных роторов. Улучшение параметров и характеристик двигателя с массивным ротором может быть получено при переходе на двухслойную конструкцию ротора и применении новых, в том числе наноструктурированных, металлов и сплавов для внешнего кольца ротора.

На этапе выбора материала для массивного ротора было установлено, что предпочтителен

Таблица 1

Показатели эффективности асинхронных двигателей при различных вариантах выполнения ротора

Ротор Мощность, Вт Скольжение, s Ток, А кпд cos w

Массивный, Ре 12012 0,19 22,6 0,599 0,687

Массивный, Ре-Си-20 11854 0,061 17,4 0,765 0,686

Массивный Ре-Си-25 12209 0,058 17,8 0,766 0,688

Шлицованный 11690 0,05 17,8 0,664 0,760

Двухслойный. Толщина слоя Ре-Си-25 Н= 11 мм 12651 0,039 15,1 0,791 0,814

о)

б)

Рис. 2. Распределение плотности тока, наведенного в массивном роторе полем статора, для моделей гладкого (а) и шлицованного (б) роторов в двигателе мощностью 12 кВт

железо-медный сплав СМ25. Именно этот сплав выбран для расчета двигателя с двухслойным ротором.

Результаты расчета электромагнитного поля, полученные на моделях асинхронных двигателей с гладким массивным ротором и двухслойным ротором, демонстрируют улучшение показателей эффективности в варианте ротора, состоящего из двух слоев: внутренний слой — сталь, внешний слой — железо-медный сплав СМ25 толщиной, соответствующей глубине проникновения поля в массив ротора (Н— 11 мм), которая рассчитана по методике, изложенной в [2].

Результаты численных исследований представлены в третьей и пятой строках табл. 1

Результаты расчета показывают, что в варианте конструкции двухслойного ротора КПД возрастает на 3 %, совф увеличивается до значения 0,791, при этом уменьшаются ток и скольжение двигателя.

Аналогичные расчеты были выполнены и для модели асинхронного двигателя с гладким массивным и двухслойным роторами (мощность — 3150 кВт, частота вращения — 500 мин-1, номинальное напряжение — 6000 В; внешний диаметр статора — 1070 мм, внутренний диаметр статора — 860 мм, активная длина — 2100 мм, число полюсов — 12, число фаз — 6, число пазов на полюс и фазу — 1, соединение обмотки — «звезда» [7]).

Расчетные данные для машин с гладким массивным и двухслойным роторами на основе железо-медного сплава СМ25 представлены в табл.2.

Установлено, что двухслойная конструкция ротора наиболее сильно влияет на совф. Для двигателя с массивным ротором из сплава СМ-25 при скольжении 5 = 0,2 будетсозф = 0,5.

При замене гладкого массивного ротора двухслойным совф повышается значительно с 0,5

до 0, 753. По расчетным данным существенное

9

тором наблюдается в диапазоне скольжений 0— 0,3. При больших скольжениях изменение коэффициента мощности менее значительно. КПД двигателя с двухслойным ротором возрастает до 78 %.

По результатам численного моделирования получена зависимость полезной мощности асинхронного двигателя с массивным двухслойным ротором от скольжения. На рис. 3 сопоставлены результаты двухмерного моделирования и аналитического расчета.

Влияние материала двухслойного массивного ротора на показатели эффективности асинхронного двигателя

На примере расчета модели асинхронного двигателя мощностью 3150 кВт с двухслойным ротором исследовано влияние характеристик материалов слоев такого ротора на показатели эффективности двигателя. На рис. 4 показано распределение плотности токов, наведенных полем статора в массивном двухслойном роторе, для двигателей мощностью 12 и 3150 кВт.

Численное моделирование асинхронного двигателя с массивным двухслойным ротором на основе железо-медных сплавов СМ-20 или СМ-25 показало (табл. 3), что пусковые токи двигателя невелики, однако КПД и коэффициент мощности в номинальном режиме не превосходят соответственно 78 % и 0,7. Моделирование при различных значениях удельного электрического сопротивления подтвердило возможность увеличить КПД до 86 %. Удельное электрическое сопротивление материала при этом должно быть на уровне 0,5* 10~"7 Омм, т. е. снижено более чем в два раза при сохранении магнитных свойств, характерных для сплава СМ-25.

Таблица 2

Расчетные характеристики асинхронных двигателей с гладким массивным и двухслойным роторами

Тип ротора Мощность кВт Скольжение Ток статора, А кпд cos w

Массивный 2364 0,20 181 0,727 0,500

Двухслойный 3155 0,155 154 0,784 0,753

Двухслойный 3254 0,155 164 0,780 0,707

2D-FEA,

Рис. 3. Расчетные зависимости полезной мощности асинхронного двигателя

с массивным двухслойным ротором от скольжения, полученные аналитически

Проведенные аналитическими и численными методами исследования, направленные на повышения эффективности асинхронных двигателей за счет выбора материалов с различными характеристиками и вариантов конструкции ротора, позволили выявить предпочтительные материалы для массивного ротора.

В исследованных вариантах материалов ротора на модели асинхронного двигателя мощностью 12 кВт подтверждено, что наиболее эффективным является железомедный сплав СМ25, применение которого позволяет повысить КПД на 27—28 % по сравнению с исходным железным ротором.

В исследованных вариантах конструкции ротора (массивный, шлицованный, двухслойный роторы) наилучшие показатели эффективности достигнуты для асинхронного двигателя

с двухслойным ротором. Установлено, что двухслойная конструкция ротора наиболее сильно

9

слойного ротора асинхронного двигателя мощностью 12 и 3150 кВт КПД возрастает соответ-

9

величин 0,791 и 0,753. По расчетным данным

9

слойным ротором наблюдается в диапазоне скольжений 0—0,3.

Наличие шлицов на роторе позволяет повы-

9

ром примерно на 10—11 %.

Моделирование при различных значениях удельного электрического сопротивления асинхронного двигателя с двухслойны ротором мощностью 3150 кВт подтвердило возможность увеличить его КПД с 78 до 86 %. Перспективы повышения КПД связаны с возможностями влияния на удельное электрическое сопротивление сплавов при сохранении магнитных характеристик.

4. Изменение величины удельного электрического сопротивления может быть достигнуто путем введения в структуру материала на-ночастиц серебра, алюминия [8]. Интересные данные по влиянию на величину электропроводности получены при анализе соотношения электропроводных примесей в сплаве олова, серебра и меди [9].

При добавлении примеси меди электропроводность незначительно увеличивается, примесь серебра приводит к большему возрастанию электропроводности. Обе примеси — меди и серебра — приводят к уменьшению электропроводности, так как нарушается структурная симметрия

о)

б)

X

/

/

\

\

1

/

х

-

-

-

-

-

СП -izn

СП

369Е 326В 282Е 239Е 210В 166В 123Е-789869 354548 80773 370987 806308 124В+0 168Е+0 211Е+0 240Е+0 284Е+0 327Е+0 371В+0 414В+0 458В+0

Рис. 4. Распределение плотности токов, наведенных полем статора в массивном двухслойном роторе асинхронного двигателя мощностью 12

и 3150 (б) кВт

Таблица 3

Параметры двигателей при разных характеристиках материала ротора

Удельное электрическое сопротивление ротора р, 10' Ом-м Скольжение s Мощность полная, кВт кпд cos w Ток статора /, А Мощность па валу, кВт

0,5 0,07 3787 0,863 0,748 143,7 3251

2 0,2 3632 0,748 0,780 148,6 2812

1,14 0,155 4089 0,784 0,752 153,9 3155

расплава. Увеличение электропроводности при легировании может быть объяснено увеличением электронной плотности.

В ЗАО НПП «Высокодисперсные металлические порошки» (г. Екатеринбург) получены новые покрытия с субмикронными порошками меди и ее сплавов, основанные на наноструктур-ных превращениях поверхностных слоев стали. Выделяющиеся атомы меди обладают повышен-

ной энергией, вследствие чего активно взаимодействуют с металлом-подложкой, встраиваясь в его поверхностные слои. Происходит микромодифицирование поверхности металла и образование наноструктурного покрытия, обладающего необычным свойством, ценным для высокооборотных электрических машин, — сочетанием высокой твердости с повышенной пластичностью [10].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ветохин, В.И. К вопросу о создании и развитии будущего подводного электроснабжения при освоении континентального шельфа и мирового океана |Текст] / В.И. Ветохин // Электротехника,- 2010. № 8,- С. 15-21.

2. Могильников, В. Асинхронные двигатели с двухслойным ротором и их применение [Текст] / В. Могильников, А. Олейников, А. Стрельников,— М.: Энергоатомиздат, 1983,— 120 с.

3. Danilevich, J.В. Design Considerations of Submersible Unprotected Solid-Rotor Induction Motor [Текст] / J.В. Danilevich, V.N. Antipov, l.Yu. Kru-chinina, Y.Ph. Khozikov // Proceedings 1CEM 2008. XVII International Conference on Electrical Machines.— Paper ID 940. IEEE Catalog Number: CFP0890B-CDR.— ISBN: 978-1-4244-1736-0,-Vilamoura, Portugal, 6th-9th September 2008.

4. Данилевич, Я.Б. Электромагнитное поле асинхронной машины с массивным нанокомпозитным ротором [Текст] / Я.Б. Данилевич, И.Ю. Кручини-на, Ю.Ф. Хозиков // Известия РАН. Энергетика,— 2007. № 2,- С. 26-36.

5. Шенфер, К.И. Асинхронные машины [Текст] / К.И. Шенфер. Москва, Ленинград: Государственное издательство, 1929,— Т. 3,— 458 с.

6. Rajagopalkan, Р. К. Effects of Axial Slits on the Performance of Induction Machines with Solid iron Rotors [Текст] / PK. Rajagopalkan, M.V. Balarama // IEEE

Transactions on power apparatus and systems. VOE.PAS-88, N011,- November 1969,- P. 1695-1709.

7. Danilevich, J.B. Determination of parameters by means of finite element analysis in two-ply solidrotor 3150 kW induction motor [Текст] / J.B. Danilevich, V.N. Antipov, l.Yu. Kruchinina [и др.] // Proceedings of 1SEE 2009— XIV International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering Arras, France.— September 10-12, 2009,- P. 87-88.

8. Данилевич, Я.Б. Перспективные электромеханические преобразователи энергии на основе новых материалов и покрытий [Текст] / Я.Б. Данилевич, В.Н. Антипов, И.Ю. Кручинина [и др.] // Электротехника,— 2010,— N° 9,— С. 2-9.

9. Мудрый, С.И. Структура и электрофизические свойства расплавов Sn, Sn0.962Ag0.038, Sn0.987Cu0.013 и Sn0.949Ag0.038Cu0.013 [Текст| / С.И. Мудрый, В.М. Склярчук, Ю.О. Плевачук, И.И. Штаблавый // Неорганические материалы,— 2008. Т. 44, № 2,- С. 171-175.

10. Фришберг, И.В. Субмикронные порошки меди и медных сплавов: получение, свойства, возможности использования [Текст] / И.В. Фришберг, J1.B. Золотухина // Сб. тез. Второй Всеросс. конф. по наноматериалам «НАНО 2007»/ Применение наноматериалов в практике,— Новосибирск, 2007.— С. 257.