Full Text

Введение. Нефтегазовая индустрия России является бюджетообразующей отраслью, поэтому все инженерные и научно-исследовательские работы, связанные с совершенствованием систем, обеспечивающих технологическую цепочку по добыче, передаче и потреблению топлива, являются важными и актуальными. Производство труб различного диаметра, которые должны работать с агрессивными средами в широком температурном диапазоне и при этом обладать высокими показателями надежности, является одной из важнейших задач. Следует отметить, что бесшовные трубы являются одним из вариантов решения этой проблемы. В настоящее время бесшовные трубы изготавливаются на пилигримовых станах из высококачественной стали. Рост требований к надежности труб заставляет переходить на более совершенные методы производства стали и обработки металла, что возможно только при глубокой реконструкции сталеплавильного производства и разработке новых классов агрегатов прокатного производства, в том числе электродвигателя привода пильгерстана, от работы которого зависит эффективность всего привода. Пилигримовый стан на Челябинском трубопрокатном заводе (ЧТПЗ) эксплуатируется с 1928 г. В качестве приводного электродвигателя для пильгерстана используется электродвигатель постоянного тока GM 900/100 фирмы Simens со следующими основными параметрами: номинальная мощность 2,75 МВт, номинальное напряжение питания 6 кВ, номинальная частота вращения 35 об/мин. Электродвигатель вращает маховик диаметром 9 м с большой инерционной массой 120 т. Фотография привода представлена ниже (рис. 1). Рис. 1. Электродвигатель, маховик и подшипники привода Долгие годы эксплуатации электродвигателя привели к его физическому и моральному износу. У электродвигателя возник ряд технических проблем, которые ставят под угрозу его дальнейшую надежную работу. Так, на валу электродвигателя от ударных нагрузок появились микротрещины, которые могут привести к разрушению вала. При длительной эксплуатации в 3 смены возникает проблема энергосбережения самого двигателя и привода в целом. В настоящее время остро стоит вопрос о замене существующего двигателя на более современный вариант. Выбор оптимального варианта электродвигателя привода пильгерстана для технологии получения бесшовных труб более подробно описан в работах [1-3]. В таблице представлен сравнительный анализ различных типов электродвигателей, которые были проанализированы применительно к приводу. Анализ вариантов электродвигателя № п/п Наименование варианта Масса меди, кг КПД 1 Замена существующего электродвигателя постоянного тока на асинхронный электродвигатель 2750 кВт 11570 0,955 2 Замена существующего электродвигателя постоянного тока на синхронный электродвигатель 2750 кВт с электромагнитным возбуждением 6600 0,945 3 Встраивание нового асинхронного радиального электродвигателя 2750 кВт в маховик 11860 0,945 4 Исключение маховика и замена его двумя асинхронными электродвигателями 1375 кВт большого диаметра с эквивалентной инерционной массой 11870 0,955 5 Исключение маховика и замена его двумя вентильными электродвигателями с когтеобразными полюсами 1375 кВт большого диаметра с эквивалентной инерционной массой 5600 0,97 Из представленной таблицы видно, что вариант вентильного электродвигателя с когтеобразными полюсами (ВДКП) является лучшим с точки зрения расхода активных материалов и КПД. Исследования, представленные в данной статье, посвящены разработке метода синтеза и анализа этого класса машин большой мощности применительно к производству бесшовных труб. 1. Постановка задачи. Существуют разные методы анализа бесщеточных двигателей с постоянными магнитами. При этом следует отметить, что все современные методы оптимального проектирования основаны на большом количестве итерационных циклов. Очень часто мощные вычислительные комплексы, такие как Ansys, Comsol, Cedgat (Magsoft), Infolitica, VectorFields, Elcut и другие, не могут в разумный временной интервал рассчитать оптимальную геометрию при большом числе анализируемых вариантов, особенно если модель имеет большие размеры [4, 5, 13, 14]. На рис. 2 представлена логическая схема проектирования вентильной машины с когтеобразными полюсами, разработанная авторами. На первом этапе реализуется задача синтеза. В основе ее лежит упрощенная методика с применением схем замещения, которая определяет оптимальную геометрию машины. Такой подход позволяет применить методы нелинейного программирования с большим числом перебора вариантов. Однако эта методика имеет целый ряд ограничений и допущений. При этом погрешность расчета основных характеристик достигает 10-15 %, что приводит к техническим рискам при изготовлении макетного и опытного образца. Программа синтеза и анализа ВДКП RMxprt Maxwell2D Maxwell3D Рис. 2. Проектирование электрических машин Для уменьшения этих рисков в системе предусмотрен этап анализа с применением сложных CAD-систем на основе метода конечных элементов. Авторы используют комплекс программ Ansys. Конструкция машин с когтеобразными полюсами имеет особенность. Она не имеет плоской симметрии, и для анализа необходимо рассматривать трехмерную модель. Практика показывает, что это во многом осложняет задачу анализа. Тестовые расчеты показали, что с применением программы Ansys Electronics Desktop в режиме решения динамической задачи Transient ожидание результатов расчета основных характеристик составляет от 8 до 15 ч. Это неприемлемо, когда речь идет об отладке модели или переборе конструктивных вариантов. В то же время практика показала, что для плоской двухмерной модели решение подобной задачи для вентильной машины составляет от 20 до 40 мин. Для разрешения данного противоречия было принято решение о замене реальной конструкции вентильной машины с когтеобразными полюсами на конструкцию вентильной машины с эквивалентными энергетическими характеристиками, которая имеет плоскую симметрию. Наиболее близким аналогом оказалась вентильная машина с тангенциальной системой возбуждения. Эта машина имеет аналогичный якорь. Конструкция индуктора имеет отличия, но в индукторе нет электрических и магнитных потерь, все электромагнитные процессы по преобразованию энергии происходят в якоре. Если подобрать магнитный поток вентильной машины таким же, как для машины с когтеобразными полюсами, то мы получим практически машину-близнец, имея в виду магнитные и электрические потери якоря, наводимые ЭДС в фазных обмотках, электромагнитный момент и другие основные параметры. В результате для проектирования вентильных машин с когтеобразными полюсами была разработана следующая расчетная цепочка. По техническому заданию заказчика с применением разработанной авторами программы решается задача многоуровневой оптимизации. Программа написана с применением языка Delphi. При этом определяются оптимальная геометрия машины и обмоточные данные. Далее результаты передаются в программу Ansys Electronics Desktop с использованием заранее подготовленных скриптов. В программе Ansys Electronics Desktop в режиме RMxprt проводится анализ оптимальной машины с использованием модели с когтеобразными полюсами, которая заложена в эту программу. При этом проверяется корректность решения оптимизационной задачи по основным параметрам (КПД, потоку в зазоре, потерям, моменту, индуцируемым ЭДС в фазах). При несоответствии какого-то параметра делается корректировка модели с повторением цикла. После этого этапа, не выходя из режима RMxprt, данные передаются из модели с когтеобразными полюсами в модель вентильной машины с тангенциальными магнитами, при этом внутренний диаметр машины аналога подбирается таким образом, чтобы магнитный поток, проходящий из индуктора в якорь, был эквивалентным. При этом проверяется идентичность всех характеристик обеих машин. После этого этапа используются возможности Ansys Electronics Desktop по автоматическому переходу задачи из режима RMxprt в режим Maxwell 2D Design. При этом происходит анализ машины на основе метода конечных элементов с расчетом всех параметров электромагнитного поля. Время расчета на этом этапе составляет 20-40 мин. При необходимости модель корректируется. На заключительном этапе происходит анализ реальной трехмерной модели машины с когтеобразными полюсами. В автоматическом режиме модель из режима RMxprt переходит в режим Maxwell 3DDesign. Происходит анализ реальной модели с определением всех необходимых характеристик на основе метода конечных элементов. Время анализа составляет от 12 до 20 ч, но это вполне допустимо, так как модель прошла отладку на предыдущих этапах. Ниже представлены результаты работы данной системы на примере проектирования вентильного двигателя с когтеобразными полюсами 2.5 MW, 600 V, 40 RPM для привода пильгерстана. 3. Проектная система для вентильных двигателей с когтеобразными полюсами. На сегодняшний день известны различные конструктивные исполнения вентильных двигателей: индукторные, реактивные, с постоянными магнитами, с когтеобразными полюсами [6-19]. Для привода пильгерстана представляет интерес вентильный двигатель с когтеобразными полюсами, несмотря на то, что до настоящего времени этот класс электрических машин не применялся для мощных электроприводов. Это связано с тем, что только этот тип электрической машины с постоянными магнитами позволяет сделать сборку для больших диаметров ротора. Рис. 3. Общий вид ротора с когтеобразными полюсами Бесконтактная конструкция синхронных машин с когтеобразными полюсами впервые была предложена А.Г. Иосифяном и Б.М. Каган [1]. Конструкция статора и якорной обмотки вентильного двигателя с когтеобразными полюсами такая же, как и в обычных традиционных синхронных и асинхронных машинах. Индуктор имеет существенные отличия. Он собирается из двух деталей с полюсами, имеющими форму когтей. Между ними располагается кольцевой постоянный магнит из высококоэрцитивного магнитного материала. Наличие мощного магнита позволяет обеспечить лучшие энергетические показатели с наименьшими потерями в машине. Двигатель бесконтактный, что важно для приводов, работающих в тяжелых условиях. Сборка машины осуществляется по следующей технологической цепочке: в обмотанный статор вставляется первая часть когтеобразного полюса, далее в ротор помещается кольцевой магнит, на заключительном этапе вставляется вторая часть когтеобразного полюса. Такая сборка исключает сильные односторонние тяжения, которые не позволяют осуществить сборку для других конструкций индукторов. Разработка двигателя начинается с оптимизации геометрии в специальной программе. При этом в соответствии с техническим заданием заказчика и выбранными материалами выбираются уровень оптимизации и критерий качества. Подробно программный комплекс описан в литературе [20-24]. Оболочка программы с результатами расчета представлена на рис. 3. Рис. 4. Оболочка программы оптимизации вентильной машины с когтеобразными полюсами Далее результаты расчета оптимальной геометрии и обмоточных данных передаются в программу Ansys Electronics Desktop при помощи предварительно разработанного скрипта. В этой программе в режиме RMxprt проводится проверка рассчитанных параметров. Программа Ansys имеет отработанную методику анализа этого типа машин (Claw-Pole Synchronous Machine). Результаты работы на этом этапе представлены на рис. 5. Рис. 5. Результаты расчета вентильной машины с когтеобразными полюсами в RMxprt После этого в режиме RMxprt инициируется расчет вентильного двигателя с тангенциальным индуктором (Brushless Permanent-Magnet DC Motor). При этом все размеры статора и его обмоточные данные принимаются аналогичными предыдущему варианту. Магнитный поток с помощью внутреннего диаметра подбирается одинаковым с магнитным потоком когтеобразного индуктора. Результаты анализа этого этапа представлены на рис. 6. Рис. 6. Результаты расчета вентильного двигателя с тангенциальными магнитами в RMxprt Следующим этапом анализа является развертывание конструкции Brushless Permanent-Magnet DC Motor в плоскую двухмерную модель для анализа магнитного поля по методу конечных элементов. Данная модель является точной копией модели Claw-Pole Synchronous Machine, поскольку имеет одинаковый якорь и магнитные поток. Анализ характеристик проводится с имитатором электронного коммутатора. Результаты анализа этого этапа представлены на рис. 7. На рис. 8-10 представлены расчетные кривые ЭДС-фаз, токов в фазах, электромагнитного момента. На последнем этапе из режима RMxprt модель Claw-Pole Synchronous Machine автоматически с использованием возможностей программы Ansys Electronics Desktop разворачивается в трехмерную модель для анализа магнитного состояния и окончательного определения основных параметров и характеристик. Результаты анализа представлены на рис. 11-12. Рис. 7. Моделирование вентильного двигателя с тангенциальными магнитами в Maxwell 2D Design Рис. 8. Расчет ЭДС в фазах Рис. 9. Расчет токов в фазах Рис. 10. Расчет электромагнитного момента Рис. 11. Моделирование вентильного двигателя с когтеобразными полюсами в Maxwell 3D Design Рис. 12. Расчетная кривая электромагнитного момента двигателя с когтеобразными полюсами По расчетной кривой двигателя с когтеобразными полюсами видно, что характеристики анализируемого двигателя и двигателя аналога близки и находятся в пределах погрешности расчета. Таким образом, осуществляются синтез и многоступенчатый анализ электрических машин с когтеобразными полюсами. 4. Анализ результатов. В настоящее время появились мощные CAD-системы для анализа электрических машин, которые имеют возможности для точного расчета их параметров и характеристик. Следует иметь в виду, что эти системы предъявляют к компьютерам очень высокие требования по быстродействию и оперативной памяти. Не всегда у разработчика имеются такие возможности. Одна из проблем - это ожидание результатов расчета в течение длительного времени для сложных магнитных систем при необходимости рассмотрения большого количества вариантов. Практика показывает, что не всегда есть необходимость усложнения расчетной модели. Очень часто с достаточной точностью можно проводить анализ плоских задач вместо трехмерных. Представленная проектная система разработана как раз в этой логической схеме. После этапа синтеза, где оптимизация осуществлялась на упрощенной модели по схемам замещения, задача переходит к этапу анализа в программной среде Ansys. Далее поэтапно решается сначала плоская задача расчета магнитного поля, а затем трехмерная задача расчета магнитного поля. Максимальные расхождения по основным параметрам (КПД, момент, частота вращения, магнитные потоки, индуцируемые ЭДС) представлены ниже: - между результатами Delphi и RMxprt для Claw Pole Synchronous Machine 5-9 %; - между результатами RMxprt для Claw-Pole Synchronous Machine и результатами RMxprt для Brushless Permanent-Magnet DC Motor 3-5 %; - между результатами Maxwell 2D Design для Brushless Permanent-Magnet DC Motor и результатами Maxwell 3D Design для Claw-Pole Synchronous Machine 5-7 %; - между результатами Delphi для Claw-Pole Synchronous Machine и результатами Maxwell 3D Design для Claw-Pole Synchronous Machine 9-12 %. Эту точность расчета для такой сложной магнитной системы, какой является машина с когтеобразными полюсами, следует признать хорошей. Выводы. Основной проблемой для анализа вентильных машин со сложной геометрией магнитной системы является необходимость использования сложных программ, для которых требуются большие компьютерные ресурсы. Очень часто в этом нет острой необходимости. Анализ практических задач показывает, что часто можно существенно упростить задачу с получением приемлемого по точности результата. В статье приводится такая возможность для вентильной машины с когтеобразными полюсами большой мощности. Представленная проектная система показала свою эффективность на реальном проекте по разработке привода для пильгерстана, предназначенного для изготовления бесшовных труб. Авторы статьи считают, что данный подход может быть эффективным при разработке проектных систем для других типов электрических машин.

About the authors

S. A Gandzha

South Ural State University

B. I Kosimov

South Ural State University

D. S Aminov

South Ural State University

References

Statistics

Views

Abstract - 33

PDF (Russian) - 13

Refbacks

• There are currently no refbacks.