紧凑型高压感应电机起动温升的场路结合计算.pdf
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1、紧凑型高压感应电机起动温升的场路结合计算摘 要紧凑型高压感应电机是在中型高压感应电机的基础上研发出来的新产品,研发设计的目的是减小电机体积并提高功率密度,与普通的高压感应电机相对比,在相同的容量下其中心高平均下降两个等级,所以功率密度会增加。根据电机几何原理的相似定律,电机内功率密度增高势必会导致内部的温升问题突显出来,如果温升过高,电机内部容易出现短路、放电等故障,严重的还会造成电机烧毁。因此需要准确地分析电机内的温度场和流体场。电机的起动过程为动态过程,电机内流体运动及发热情况是随时间变化的,本文采用场路结合的方法,对高压感应电机起动时的温升变化进行研究。以 YJKK500-4、2500k
2、W紧凑型高压感应电动机为例,首先用坐标变换和矢量变换的方法对电机的动态问题进行了分析,推导出感应电机的动态方程。根据动态方程理论对电机带不同负载起动时损耗的具体变化进行计算分析,并将结果作为瞬时热源加载到仿真计算中。然后对电机散热情况进行分析,本文采用建立风阻网络的方法计算电机内风量的匹配和各部分的风速分布,为场的仿真分析提供散热依据。最后将前两者与有限元仿真有机的结合起来,根据电机的实际结构尺寸进行建模,依据流体力学和热力学的基本原理对流体场及温度场进行仿真求解,分析起动时不同时刻电机内的温升情况。采用场路结合的算法,解决了瞬态过程电机内热源及流体边界条件加载复杂的问题,提高了电机起动过程流
3、体场和温度场计算的准确性,对起动过程中电机通风沟内流体的流动情况以及温升的变化情况有了更加清楚的认识,保证了电机的设计合理性也一定程度保障了电机的安全运行。关 键 词 高压感应电机;流体场;温度场;风阻网络;场路结合Field-circuit Coupled Calculation of TemperatureRise for High-Voltage Induction Motor withCompact Type in Starting ProcessAbstractHigh-voltage induction motor with compact type is a new produc
4、t developedbased the medium-size high-voltage induction motors,with purpose of reducingthe size of the motor as well as increasing the power density.The center height ofhigh-voltage induction motor with compact type is reduced,under the samecapacity,by two levels on average when compared to ordinary
5、 high-voltageinduction motors,thus its power density can be improved.According togeometrical similarity law,the increasing of the power density will certainly leadto the problem of internal temperature rise.If the temperature is too high,failures,such as discharging and short circuit,would occur ins
6、ide the motor,which wouldeven burn down the motor.An accurate analysis on both fluid and temperaturefields inside the motor is therefore required.Starting a motor is a dynamic process,during which the fluid motion andheating inside the motor are changing over time.In this article,we studied thechang
7、es in temperature rise when staring the high-voltage induction motor byusing a field-circuit coupled method.We took the YJKK500-4,2500kW compactmotor as the case for our study.First,we made use of both the coordinatetransformation and vector transformation analyzes the dynamic state of the motorand
8、to obtain the dynamic equation.Based on the dynamic equation theory,weinvestigated and computed the specific changes in of the motor under differentloads,and took the results as transient heat source for simulation.Next,weanalyzed the heat dissipation of the motor.In this study,we built awind-resist
9、ance network to figure out the matching of the wind volume and thedistribution of the weed speed inside the motor,with intention to provideinformation of heat dissipation for simulation.Finally,we combined the finiteelement simulation with above analysis.The model was built on actual structureand si
10、ze of the motor.The fluid field and temperature field were simulated byusing basic principles of fluid mechanics and thermodynamics to study thetemperature rise of the motor at different moments.The field-circuit coupled algorithm can simplify the complexity in loadingboundary conditions of motors h
11、eat source and fluid during a transient process,thus can improve the accuracy of computing the fluid field and temperature fieldduring starting the motor.Hence we have a more clear understanding on fluidmotion in ventilating ducts of the motor as well as on changes in temperature rise.In this way we
12、 can ensure the reasonableness of design and can guarantee,tosome extent,the safety of the motor.Keywords high-voltage induction motor,fluid field,temperature field,wind-resistance network,Field-circuit-in-目 录摘 要.IAbstract.II第 1 章绪论.11.1 课题研究的意义.11.2 国内外研究现状.21.2.1 高压感应电机起动特性的研究现状.21.2.2 高压感应电机起动过程流
13、体场和温度场的研究现状.31.3 课题的主要研究内容.4第2 章 高压感应电机起动过程损耗的分析.62.1 高压感应电机内基本发热热源.62.2 高压感应电机动态模型建立与计算方法.72.2.1 电机矢量变换和坐标变换的基本理论.82.2.2 电机动态基本方程的建立及求解方法.92.3 利用动态模型计算高压感应电机起动时热源损耗.112.4 本章小结.14第 3 章 高压感应电机起动过程散热的分析.153.1 电机通风结构.153.2 电机内流量的分布和散热计算.153.2.1 电机内风阻网络模型的建立.163.2.2 风阻网络的求解及结果分析.183.3 本章小结.20第4 章高压感应电机起
14、动过程流体流动与传热的仿真分析.214.1 高压感应电机三维计算模型的建立.214.2 计算模型网格的剖分.234.3 仿真计算的基本假设和边界条件的设定.244.3.1 基本假设.244.3.2 瞬态场边界条件的设定.244.3.3 UDF在瞬态场计算中的应用.264.4 高压感应电机起动过程中流体场分析.274.5 高压感应电机起动过程中温度场分析.29-IV-4.5.1 额定负载起动时定子绕组和绝缘层的温度场分析.304.5.2 额定负载起动时定子对流面散热系数分析.304.5.3 不同负载起动时的温度场分析.314.6 本章小结.31第 5 章 基于免疫遗传算法的潜油电机优化设计软件开
15、发.335.1 课题研究的意义.335.2 国内外研究现状及发展趋势.345.2.1 潜油电机的国内外研究现状.345.2.2 优化算法的国内外研究现状.365.3 课题的来源及主要研究内容.37第 6 章 免疫遗传算法原理.396.1 免疫遗传算法原理.396.2 免疫遗传算法流程分析.416.3 免疫遗传算法在数学模型上的应用.426.4 本章小结.44第 7 章免疫遗传算法在潜油电机优化中的应用.457.1 电机优化的数学模型.457.1.1 优化设计的目标函数.467.1.2 约束条件及其处理方法.467.1.3 优化变量的选取.487.2 IGA优化程序设计.497.3 实例计算.5
16、27.3.1 电机优化过程的参数选用.527.3.2 基于免疫遗传算法优化设计的结果与分析.547.3.3 基于RMxprt的定转子参数分析.567.4 本章小结.57第 8 章 潜油电机优化软件开发.588.1 电机优化设计软件的实现.588.1.1 硬件环境.588.1.2 软件环境.588.2 电磁设计模块.598.2.1 程序输入界面的设计.598.2.2 程序结果的输出.608.3 温升设计模块.618.3.1 等效热阻计算.618.3.2 温升模块的界面设计.628.4 电机冲片图的绘制.638.5 本章小结.63结论.64参考文献.66攻读硕士学位期间发表的学术论文.73致谢.7
17、4第1章绪论1.1课题研究的意义中国是世界电机制造多产国,特别是重工业有很大规模的经济体,因此电机与功率消耗的比重都很高 从全世界电机技术的发展需求来看,为满足高运转率的发展趋势,规模化生产配套设备的高压高效电机逐渐成为发展的主要方向。由此电机必须向具有高功率密度、高性能、大容量和高压的方向发展。随着中国电机设计和制造技术的成熟,高效高压电机将发展成一个高科技、竞争激烈的行业。为了实现电机效率的逐步提升,需要电机产品不断的推陈出新,这同时也是一个国家重工业发展水平的衡量标准。从节能环保的角度来看,在国际上高效电机得到了广泛的认可和推广。在中国普通低效电机仍占有较大的使用比率。而在欧美等发达国家
18、,已经基本普及了高效电机的使用咒目前较为常见的紧凑型电动机为YJKK系列中型高压感应电机,由于其研发过程中设计理念主要为高效率、体积小、低成本等特点,同YKK系列电动机相比,在相同的容量下其中心高平均下降两个等级,所以功率密度会增加。根据电机儿何原理的相似定律,电机内功率密度增高势必会导致内部的温升问题突 来,很容易造成绝缘层出现分层、脱壳、老化等现象,从而导致电机内部由于放电、短路而烧毁?尤其是在电机起动的过程中,由于损耗大、散热差更容易导致温度大幅度升高。对电机起动时的电磁转矩、电磁参数及电流的变化情况进行分析是可靠计算电机内部发热情况的基础,同时采用有效的通风散热系统便可很好的避免电机发
19、生故障。但是电机的起动过程是一个瞬态过程,会受到很多复杂因素地影响,电机内部各个物理场之间相互存在动态耦合的关系,因此就需要建立某种动态的数学模型来对起动过程的损耗参数以及风速风量的变化进行准确的分析和研究。在此基础上,将得到的动态结果与有限元方法综合在一起,进行起动时电机内温度场和流体场的仿真研究,这样会准确可靠的预测电机的性能指标、运行的状况以及技术参数等,由此减少电机起动运行时冷却气体流动性能不佳以及内部温升过高这种影响电机安全可靠运行的情况发生。运用试验的方法对高压电机运行过程中的起动特性和起动过程的动态参数进行测取是非常困难的,所以需要有效可靠的方案来对高压电机进行仿真分析来取得。由
20、于电机的起动过程是一个瞬态的过程,应基于动态的理论来进行计算分析,而不是工程中常运用的恒定参数的T型等效电路来分析。采用建立动态模型的特点是可以将三相绕组的效果用两个相互垂直、静止的两相绕组代替,并通过运算的变换,就能够进行三相电流和两相电流之间的运算。这样就将电机起动的瞬态问题转化为静态的形式,使计算分析的过程得到化简。这不仅要更全面的综合运用传统的流体力学,传热学,电磁学知识,还要在软件和硬件方面也都的到突破和提高。相信,随着各个学科的不断完善与发展,通过科学家和研究人员在电机领域的持续努力下,使更多新的方法以及理论得到普及应用,特别是在电机一体化深入物理学的研究,会给这个行业带来更为广泛
21、的开拓空间。图 1-1 YJKK系列紧凑型高压感应电机实物图Fig.1-1 Physical map of YJKK series high-voltage induction motor with compact type1.2 国内外研究现状1.2.1 高压感应电机起动特性的研究现状紧凑型高压感应电机在起动过程中,电机内的阻抗、损耗、转矩、转速等参数都是随时间而变化的,这是与电机稳态运行最大的区别。因此,如果想要得到温度场和流体场在起动过程中准确的变化情况,分析计算高压感应电机的起动特性是非常关键的。起动转矩和转速是研究起动特性时反映感应电机正常输出的两项关键参数。准确计算起动时参数随时间
22、变化的具体情况,对于可靠地分析电机的起动特性有着至关重要的作用。获取曲线的方法途径比较多,一般情况下可总结为三个方法来分析:1.直接测量方法是指在测量三相感应电机转矩-转差率曲线时,被测电机在测量过程中逐步被加载负载,同时选取特定的测功机来测取转矩,再通过转速表或者测速器来测得电机这一时刻的转速,最后再根据被选择点的测试来描述电机的特性曲线或机械特性。显而易见通过直接测量法求解存在很多的不准确和不便之处,从而导致误差出现的几率明显增加。2.解析分析方法是基于经过归算后得出的感应电机型等效电路计算出来的,由于在型等效电路中定、转子的激磁电抗要远远大于漏抗,因此可以对激磁阻抗支路忽略不计,从而简化
23、型等效电路,得出机械特性曲线计算的表达式10-2-3.动态分析方法 此方法是以电磁关系为依据的,对电机的开动过程进行分析,在计算时主要从两方面进行即稳态和瞬态,也就是电机在三项坐标状态下的电压方程,电机转动方程和静止时的运动方程在电机发动时转子的速度在逐渐的增加,在电机发动时会产生机械和电磁波的短暂变化,所以在分析电机的发动时,动态分析法是最合适的选择。美 国 E.F.Fuchs根据差分原理,深入的分析了影响三相感应电机起动性能的主要因素,并从中提炼和总结出各种因素的变化规律,但并没有详细计算电机的具体起动特性冈。在中国,许多专家和学者也对感应电机作了大量研究,其中高景德通过探究电机的起动规律
24、,总结了电磁处于静态和动态的变化趋势,然而由于未能合理进行负载参数校正,与负载实际变化的情况有着很大的差距。再加上当时缺乏先进的检测仪器和科学的计算方法,也就使得计算结果存在一定的局限性,咒 基于饱和状态下的研究,比较成熟的要数加拿大的Hany M.Jabr构建了异步电动机等效模拟体系,分析了在此状态下电机的起动特性,并在此基础上深入剖析了绕线式的感应电机回。1.2.2高压感应电机起动过程流体场和温度场的研究现状在对电机内的温度进行研究时,意 大 利Cannistra,G.等学者利用有限元方法计算并分析了感应电机起动时鼠笼型转子结构的温升情况,韩 国 Lee,Yangsoo等学者采用有限元方法
25、也对感应电机的温度场分布情况进行了分析与计算,;前 苏 联 的 Elin,D.G.等学者对感应电机定子绕组的温度分布情况也进行了分析与计 算 国 内 学 者 汤 蕴 谬、迟速、陈季平和张大为等采用有限元分析法对大型水轮发电机定子温升最高段的三维温度场分布情况进行了分析计算。哈尔滨理工大学的周封等学者将有限元分析和流体的相似理论结合起来分析了中大型感应电机的定子三维温度场。李德基,白亚民等学者对汽轮发电机定子绕组槽温度场的分布进行了计算。黄东洙等学者对高压防爆电机的定子温度场分布进行了分析计算。浙江大学的许承千和石中文等学者对大中型感应电动机的冷却和发热问题进行了深入的探讨侬。在对电机内的流体进
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