СХЕМНО-ПОЛЕВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

D. O. Litvinov, O. O. Shlyanin, Т. V. Bondarchuk, O. V. Stremydlovska, Riham Matar

Аннотация


Цель. Разработка нового подхода для повышения точности тепловых расчетов путем сочетания полевого и схемного моделирования для определения эффективных тепловых проводимостей деталей и узлов асинхронного двигателя.

Методы исследований. Методы теории теплопроводности, теплопередачи, тепловых схем замещения, тепловых потенциалов, полевого моделирования, конечных элементов.

Основные результаты. Разработан интегральный метод для преобразования данных полевого моделирования в параметры тепловой схемной модели, который существенно уменьшает влияние плотности распределения узлов тепловой схемы на точность определения ее параметров благодаря инвариантности матрицы геометрических проводимостей относительно температурных изменений значений теплопроводности конструкционных и активных материалов асинхронного двигателя. Данным методом при дискретизации пространственной модели асинхронного двигателя на отдельные составляющие, можно заранее определять компоненты матрицы проводимостей и предотвращать создание узлов с наименьшими их значениями и, как следствие, вырождение матрицы проводимостей в схемной модели. Таким образом, обеспечивается существенное повышение точности определения узловых температур и превышений температур в тепловых расчетах асинхронных двигателей в постоянных и переменных режимах нагрузок.

Научная новизна. Разработан новый метод преобразования схемной модели с применением интегрального теплового потенциала, который позволяет перейти от температурных сопротивлений, в качестве параметров тепловой схемы замещения, к геометрическим проводимостям данной схемы. Доказано, что путем обработки массивов данных полевого моделирования для определения геометрических проводимостей тепловой схемы замещения можно предотвратить вырождение матрицы проводимостей для стационарного теплового режима асинхронного двигателя, обеспечить уменьшение количества узлов схемы и повышение вычислительной эффективности и точности.

Практична значимость. Интегральный метод преобразования данных полевого моделирования асинхронного двигателя в параметры тепловой модели позволяет при увеличении числа узлов тепловой схемы от одного до десяти уменьшить средневзвешенное значение относительной погрешности от 18,76% до 2,427%, что полностью удовлетворяет требованиям точности как при проектировании асинхронных двигателей, так и при имитационном моделировании динамики тепловых процессов при переменных режимах работы.

Ключевые слова


асинхронный двигатель; тепловая схема замещения; теплопроводность; тепловое сопротивление; интегральный метод; метод конечных элементов

Полный текст:

PDF (Українська)

Литература


Petrenko, A. N., Tanyanskiy, V. Ye., Petrenko, N.YA. (2012). Issledovaniye temperaturnogo polya i teplovykh potokov chastotno-upravlyayemogo asinkhronnogo dvigatelya. Visnik NTU "KHPI", 49(955), 61–65.

Kotsur, M. I. (2014) Osobennosti udarnogo teplovogo vozdeystviya na asinkhronnyy dvigatel' s modifitsirovannoy sistemoy impul'snogo regulirovaniya v usloviyakh chastykh puskov. Elektrotehnika i elektroenergetika., 1, 32–36. doi: http://dx.doi.org/10.15588/1607-6761-2014-1-5.

Filippov, I. F. (1986). Teploobmen v elektricheskikh mashinakh. L.: Energoatomizdat, 256.

Sipaylov, G. A., Sannikov, D. I., Zhadan, V. A. (1989). Teplovyye, gidravlicheskiye i aerodinamichesiye raschety v elektricheskikh mashinakh. M.: Vyssh. shk., 239.

Zaliznyy, D. I., Shirokov, O. G., Popichev, V. V. (2015). Adaptivnaya matematicheskaya model' teplovykh protsessov asinkhronnogo dvigatelya s korotkozamknutym rotorom. Vestnik GGTU im. P. O. Sukhogo, 1, 30–43.

Wallmark, O. (2012) Analysis of Electrical Machines. Royal Institute of Technology Stockholm. Sweden.

Ostashevskiy, N. A., Shayda, V. P. (2010). Matematicheskaya model' teplovogo sostoyaniya chastotno-upravlyayemogo asinkhronnogo dvigatelya v nestatsionarnykh rezhimakh. Elektromashinostroyeniye i elektrooborudovaniye, 75, 46–51.

Petrushin, V. S., Yakimets, A. M. (2008). Osobennosti teplovykh raschetov neustanovivshikhsya rezhimov raboty reguliruyemykh asinkhronnykh dvigateley. Elektromashinostroyeniye i elektrooborudovaniye, 71, 47–51.

Shirokov, O. G., Zaliznyy D. I. (2008). Teplovyye skhemy zameshcheniya elektroenergeticheskikh ustroystv. Naukoyemkiye tekhnologii, 2, 63–67.

Anuchin, A. S., Fedorova K. G. (2014). Dvukhmassovaya teplovaya model' asinkhronnogo dvigatelya. Elektrotekhnika, 2, 21–25.

Malafeyev, S. I., Zakharov, A. V., Kudryashov, S. V. (2009). Modelirovaniye teplovykh perekhodnykh protsessov v ventil'no-induktornom dvigatele. Elektrichestvo, 3, 54–57.

Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance. (2004). IEC Revision of Publication 60034, 1, 137.

Staton, D., Cavagnino A. (2008). Convection Heat Transfer and Flow Calculations Suitable for Electric Machines Thermal Models. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 55(10), 3509–3516.

Mahdavi, S., and all (2013). Thermal Modeling as a Tool to Determine the Overload Capability of Electrical Machines. International Conference on Electrical Machines and Systems. Busan. Korea, 454–458.

Andriyenko, P. D., Kotsur, I. M., Yarymbash, D. S. (2008). Primeneniye metodov mate-maticheskogo modelirovaniya dlya opredeleniya parametrov induktora. Vestnik SevNTU. Sevastopol', 88, 117 – 120.

Andriyenko, P. D., Yarymbash, D. S. (2008). Modelirovaniye elektromagnitnykh i teplovykh protsessov pri induktsionnom nagreve mundshtuka pressa. Razrabotka rudnykh mestorozhdeniy. Krivoy Rog, 92, 163–167.

Andriyenko, P. D., Yarymbash, D. S. (2006). Osobennosti modelirovaniya temperaturnogo sostoyaniya tekhnologicheskoy sistemy kak ob"yekta upravleniya. Yelektromashinobuduvannya ta yelektroobladnannya. Odessa, 66, 291–293.

Kilimnik, I. M., Yarymbash, D. S. (2007). Osobennosti modelirovaniya elektromagnitnykh protsessov v induktore kalibra mundshtuka pressa. Visnyk Kremenchuts'kogo derzhavnogo polstekhnschnogo unsversytetu. Kremenchuk: KDPU, 4(45), 53–55.

Yarymbash, D. S., Tyutyunnik, A. V., Zagrunnyy, O. L. (2006). Povysheniye effektivnosti upravleniya rezhimami elektricheskogo obogreva pri pressovanii zagotovok podovykh blokov. Elektrotehnika i elektroenergetika. Zaporozh'ye: ZNTU, 2, 56–60.

Belyayev, N. M., Ryadno, A. A. (1982) Metody teorii teploprovodnosti. M.: Vyssh. shkola, 302.

Yarymbash, D.S. (2015) The research of electromagnetic and thermoelectric processes in the AC and DC graphitization furnaces. Scientific Bulletin of National Mining University, 3, 95–102.

Yarymbash, D.S., Oleinikov, A.M. (2015). On specific features of modeling electromagnetic field in the connection area of side busbar packages to graphitization furnace current leads. Russian Electrical Engineering, 86(2), 86–92. DOI: http://dx.doi.org/10.3103/S1068371215020121.

Yarymbash, D. S., Kotsur, M. I., Yarymbash, S. T., Kotsur, I. M. (2016). Features of three-dimensional simulation of the electromagnetic fields of the asynchronous motors. Electrical Engineering And Power Engineering, 2, 43–50. doi: http://dx.doi.org/10.15588/1607-6761-2016-2-5.

Mademlis, C., Margaris, N., and Xypteras J. (2000). Magnetic and Thermal Performance of a Synchronous Motor under Loss Minimization Control. IEEE Trans. on Energy Conversion, 15(2), 135–142. DOI: 10.1109/60.866990

Mellor, P.Y., Roberts, D., Turner, D.R. (1991). Lumped parameter thermal model for electrical machines of TEFC design. IEEE Proceedings B (Electric Power Applications), 138(5). 205–218. DOI: http://dx.doi.org/10.1049/ip-b.1991.0025.

Shuyskiy, V.P. (1968). Raschet elektricheskikh mashin. L.: Energiya, 732.

Lykov, A.V. (1967). Teoriya teploprovodnosti: uchebnoye posobiye. M.: Vysshaya shkola, 600.

Yarymbash, D. S., Tyutyunnik, A. V., Zagrunnyy, O. L. (2006). Modelirovaniye temperaturnykh rezhimov elektrotekhnologicheskoy sistemy «induktory–mundshtuk» na podgotovitel'nom etape tura pressovaniya. Elektrotehnika i elektroenergetika. Zaporozh'ye: ZNTU, 1, 56 – 60.


Пристатейная библиография ГОСТ


1. Петренко А.Н. Исследование температурного поля итепловых потоков частотно-управляемогоасинхронного двигателя [Текст] / А.Н. Петренко, В.Е. Танянский, Н.Я. Петренко // Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955). С. 61 – 65.

2.Коцур М. И. Особенности ударного теплового воздействия на асинхронный двигатель с модифицированной системой импульсного регулирования в условиях частых пусков [Текст] / М. И. Коцур // Електротехніка та електроенергетика. – 2014. – № 1. – С. 32–36. doi: http://dx.doi.org/10.15588/1607-6761-2014-1-5.

3 Филиппов И.Ф. Теплообмен  в электрических машинах [Текст] – Л.: Энергоатомиздат, 1986. 256 с.

4. Сипайлов Г.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах[Текст] / Г.А. Сипайлов, Д.И. Санников, В.А. Жадан. – М.: Высш. шк., 1989. – 239 с.

5. Зализный Д. И. Адаптивная математическая модель тепловых процессов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором [Текст] / Д. И. Зализный, О. Г. Широков, В. В. Попичев // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2015. – № 1. – С. 30 – 43.

6. Wallmark, O. Analysis of Electrical Machines [Text] / O. Wallmark. – Royal Institute of Technology Stockholm. – Sweden. – 2012.

7. Осташевский, Н. А. Математическая модель теплового состояния частотно-управляемого асинхронного двигателя в нестационарных режимах [Текст] / Н.А. Осташевский, В.П. Шайда // Электромашиностроение и электрооборудование. – 2010. – № 75. – С. 46–51.

8. Петрушин В. С. Особенности тепловых расчетов неустановившихся режимов работы регулируемых асинхронных двигателей [Текст] / В. С. Петрушин, А. М. Якимец // Электромашиностроение и электрооборудование. – 2008. – № 71. – С. 47–51.

9. Широков О. Г. Тепловые схемы замещения электроэнергетических устройств [Текст] / О. Г. Широков, Д. И. Зализный // Наукоемкие технологии. – 2008. – № 2. – С. 63–67.

10. Анучин, А. С. Двухмассовая тепловая модель асинхронного двигателя / А. С. Анучин, К. Г. Федорова // Электротехника. – 2014. – № 2. – С. 21–25.

11. Малафеев, С. И. Моделирование тепловых переходных процессов в вентильно-индукторном двигателе [Текст] / С. И. Малафеев, А. В. Захаров, С. В. Кудряшов // Электричество : Теорет. и науч.-практ. журн. – 2009. – №3. – С. 54–57.

12. Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance [Text] // IEC Revision of Publication60034. – draft 1. – 2004. – 137 р.

13. Convection Heat Transfer and Flow Calculations Suitable for Electric Machines Thermal Models [Text] / D. Staton, A. Cavagnino // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – Vol. 55. – № 10. – October 2008. – P. 3509–3516.

14. Thermal Modeling as a Tool to Determine the Overload Capability of Electrical Machines [Text] / S. Mahdavi and all / International Conference on Electrical Machines and Systems. – Oct. 26–29. – 2013. – Busan. – Korea. – P. 454–458.

15. Андриенко П.Д. Применение методов математического моделирования для определения параметров индуктора [Текст] / П.Д. Андриенко, И.М. Коцур, Д.С. Ярымбаш // Вестник СевНТУ – Севастополь, 2008. – Вып. 88. – С. 117 – 120.

16. Андриенко П.Д. Моделирование электромагнитных и тепловых процессов при индукционном нагреве мундштука пресса [Текст] / П.Д. Андриенко, Д.С. Ярымбаш // Разработка рудных месторождений. – Кривой Рог, 2008. – Вып. 92. – С. 163 – 167.

17. Андриенко П.Д. Особенности моделирования температурного состояния технологической системы как объекта управления [Текст] / П.Д. Андриенко, Д.С. Ярымбаш // Електромашинобудування та електрообладнання – Одесса, 2006. – № 66. – С. 291 – 293.

18. Килимник И.М. Особенности моделирования электромагнитных процессов в индукторе калибра мундштука пресса [Текст] / И.М. Килимник, Д.С. Ярымбаш // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – Кременчук: КДПУ, 2007. – №4(45). – Ч. 1. – С. 53 – 55.

19. Ярымбаш Д.С. Повышение эффективности управления режимами электрического обогрева при прессовании заготовок подовых блоков [Текст] / Д.С. Ярымбаш, А.В. Тютюнник, О.Л. Загрунный // Електротехніка та електроенергетика. – Запорожье: ЗНТУ, 2006. – № 2. – С. 56 – 60.

20. Беляев Н.М. Методы теории теплопроводности[Текст] / Н.М. Беляев, А.А. Рядно, в 2-х частях – М.: Высш. школа, 1982.– 302 с.

21. Ярымбаш Д.С. Исследование электромагнитных и термоэлектрических процессов в печах графитации переменного и постоянного тока [Текст] / Ярымбаш Д.С. // Науковий вісник НГУ – 2015. – №3. – С.95–102.

22. Yarymbash D.S. On specific features of modeling electromagnetic field in the connection area of side busbar packages to graphitization furnace current leads [Text]/ D.S.Yarymbash, A.M. Oleinikov // Russian Electrical Engineering, 2015, – Vol.86, – Issue 2, – pp. 86 – 92. DOI: http://dx.doi.org/10.3103/S1068371215020121.

23. Ярымбаш Д.С. Особенности трехмерного моделирования электромагнитных полей асинхронного двигателя [Текст] / Д. С. Ярымбаш, М. И. Коцур, С. Т. Ярымбаш, И. М. Коцур // Електротехніка та електроенергетика, 2016, – № 2, – С. 43–50. doi: http://dx.doi.org/10.15588/1607-6761-2016-2-5.

24. Mademlis C. Magnetic and Thermal Performance of a Synchronous Motor under Loss Minimization Control [Text] / C.Mademlis, N.Margaris, and J.Xypteras // IEEE Trans. on Energy Conversion, 2000. – vol. 15, – no. 2, – pp. 135–142.DOI:10.1109/60.866990

25.Mellor, P.Y., Roberts, D., Turner, D.R., Lumped parameter thermal model for electrical machines of TEFC design [Text]/ P.Y. Mellor, D. Roberts, D.R. Turner // IEEE Proceedings B (Electric Power Applications), 1991. – 138(5). – pp. 205–218. DOI: http://dx.doi.org/10.1049/ip-b.1991.0025.

26. Шуйский В.П. Расчет электрических машин [Текст]/ Шуйский В.П. – Л.: Энергия, 1968, 732 с.

27. Лыков А.В. Теория теплопроводности [Текст]: учебное пособие / А.В. Лыков — М.: Высшая школа, 1967. — 600 с.

28. Ярымбаш Д.С. Моделирование температурных режимов электротехнологической системы «индукторы–мундштук» на подготовительном этапе тура прессования [Текст] / Д.С. Ярымбаш, А.В. Тютюнник, О.Л. Загрунный // Електротехніка та електроенергетика. – 2006. – № 1. – С. 56 – 60.




DOI: https://doi.org/10.15588/1607-6761-2017-1-9

Метрики статей

Загрузка метрик ...

Metrics powered by PLOS ALM

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Copyright (c) 2017 D. O. Litvinov, O. O. Shlyanin, Т. V. Bondarchuk, O. V. Stremydlovska, Riham Matar

Creative Commons License
Эта работа лицензирована Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Адрес редакции журнала:
Редакция журнала «E&E», Запорожский национальный технический университет, 
ул. Жуковского, 64, г. Запорожье, 69063, Украина. 
Телефон: 0 (61) 769-82-96 – редакционно-издательский отдел
E-mail: rvv@zntu.edu.ua