Актуальность предмета исследования
Развитию нефтегазовой индустрии в Росси предается особое значение. Это связано с тем, что добыча углеводородов является бюджетообразующей отраслью для Российской федерации. Высокая технологическая конкуренция заставляет вести собственные научно-исследовательские работы в этой сфере. Существующее положение осложняется так же вводом санкций США и ведущими Европейскими странами на поставку оборудования для нефтегазового комплекса. Следует признать, что достаточно длительное время эта отрасль развивалась за счет оборудования, которое морально и физически устарело и эксплуатировалось до состояния предельного физического износа. Одним из таких характерных примеров является привод пильгерстана для изготовления бесшовных труб большого диаметра, который эксплуатируется на АО «Челябинский трубопрокатный завод» с 1928 г. Тихоходный коллекторный двигатель постоянного тока мощностью 2.7 МВт фирмы Siemens эксплуатируется в условиях больших динамических нагрузок в три смены. Проводимые ремонтные и регламентные работы не в состоянии обеспечивать высокую безопасность привода и его энергоэффективность. Данный привод требует замены на современное более надежное оборудование с высоким КПД. В России работают 4 предприятия, которые используют эту технологию изготовления бесшовных труб. Практически все предприятия испытывают перечисленные проблемы. При этом речь не идет об отказе от этой технологии. Бесшовные трубы имеют более высокую надежность, пильгерстановый привод легко перестраивается под трубы различного диаметра.
С другой стороны, применение вентильных машин больших габаритов на мощности в несколько мегаватт имеет ряд проблем. Использование мощных высококоэрцитивных магнитов существенно повышает КПД за счет исключения потерь на возбуждение, но создает большие проблемы при сборке, эксплуатации и ремонте. Перед научным сообществом и инженерной практикой стоит задача совершенствования конструкций этих двигателей, оптимизации их геометрии, изучения параметров и характеристик в статических и динамических режимах работы.
Таким образом, существующее противоречие между практической потребностью во внедрении мощных вентильных машин с постоянными магнитами в технологию изготовления бесшовных труб и недостаточно развитой теоретической базой по методике их оптимального проектирования является основным источником дальнейшего развития электрических машин этого класса, что определяет актуальность научных исследований в этой области.
Степень научной разработанности проблемы.
Производство труб на пилигримовых агрегатах продолжает оставаться одним из самых распространенных в мире для получения горячекатаных бесшовных труб широкого сортамента по размерам и маркам сталей. В настоящее время в мире насчитывается 49 действующих пилигримовых агрегатов с 98 пильгерстанами.
Электродвигатели, входящие в состав электропривода пильгерстана, имеют ряд особенностей:
• они должны иметь низкую частоту вращения (60-80 об/мин), при этом не допускается применение понижающего редуктора из-за больших ударных нагрузок;
• электродвигатели должны иметь большую инерционную массу вращающихся частей для обеспечения ударных нагрузок;
• частота вращения должна регулироваться для труб разного диаметра и разного сортамента стали;
• с учетом непрерывной трехсменной работы стана с короткими остановками на регламентные и ремонтные работы, электродвигатель должен иметь максимально возможный КПД с целью энергосбережения и энергоэффективности.
Эти особенности не позволяют подобрать для привода пильгерстана серийные двигатели из существующего промышленного ряда. Для этой технологии необходимо проектировать единичный специальный электродвигатель под конкретный привод.
В области проектирования электрических машин различных типов большой мощности существуют серьёзные научные исследования и большие научные заделы. Заслуживают внимания работы следующих организаций:
• Московский энергетический институт (государственный технический университет). Ученые А. В. Иванов-Смоленский, С. В. Иваницкий, Н. И. Пашков, В. Я. Беспалов, К. Я. Вильданов, В.А. Морозов, В.И. Нагайцев, С.А. Грузков развивают общую теорию расчета электрических машин с постоянными магнитами, математические модели динамических режимов работы, асинхронные двигатели интегрального исполнения. Ильинский Н.Ф., Кузнецов В.А., Красовский А.Б., Темирев О.П., Остриров В.Н., Козаченко В.Ф., Русаков А.М. разрабатывают мощные вентильно-индукторные электродвигатели;
• Ивановский государственный энергетический университет. Ученые Ю. Б. Казаков, Е. Б. Герасимов, А. И. Тихонов, Н. Н. Новиков внесли существенный вклад в методы анализа магнитных и тепловых полей, разработки САПР электрических машин, методы оптимального проектирования;
• Московский авиационный институт (государственный технический университет). Особо следует отметить работы А. И. Бертинова, который развивает теорию электрических машин авиационной автоматики, включая двигатели с когтеобразными полюсами...
В диссертационной работе содержатся научно доказанные теоретические положения оптимального проектирования и подробного анализа вентильного двигателя с когтеобразными полюсами, который имеет уникальное применение для привода пильгерстана изготовления бесшовных труб. В результате расширена существующая теоретическая база по проектированию электрических машин этого класса. Решенная техническая задача позволяет внести значительный вклад в развитие отечественного электромашиностроения, играющего важную роль в экономике страны.
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований автором получены следующие основные результаты:
1. В качестве электродвигателя для привода пильгерстана предложена конструкция вентильного двигателя с когтеобразными полюсами, удовлетворяющая требованиям надежности и энергоэффективности. Разработана новая в отечественной и мировой практике технология сборки статора и ротора электродвигателя без дополнительной оснастки.
2. Разработана математическая модель расчета магнитной системы с когтеобразными полюсами на основе схемы замещения. Модель учитывает основные потоки рассеяния, рассчитывает рабочий поток и общий поток постоянного магнита. Особенностью методики является решение задачи синтеза. По заданной индукции в воздушном зазоре и основным геометрическим размерам электродвигателя определяется толщина магнита, которая обеспечивает эту индукцию. Расчетная модель проста и может быть включена в оптимизационные циклы.
3. Разработана математическая модель расчета ВДКП. В математической модели определены основные аналитические зависимости между электромагнитными величинами, константы, технологические и эксплуатационные ограничения, независимые переменные. Формализованы показатели качества.
4. На основе проведенного анализа разработана система оптимизации ВДКП, реализующая многоуровневую однокритериальную оптимизацию для различных конструктивных исполнений. Система позволяет реализовать до 7 проектных ситуаций, закрывая практически все потребности реального проектирования ВДКП.
5. Разработана система анализа электромагнитного состояния ВДКП, в которой первоначально анализируется электродвигатель-аналог с плоской магнитной системой и решением двухмерной электромагнитной задачи. В качестве такого аналога принят вентильный электродвигатель с тангенциальной магнитной системой. На этом аналоге происходят все настройки для решения трехмерной задачи. Окончательный анализ модели цифрового двойника происходит на реальной трехмерной модели с подключенным электронным коммутатором.
6. Разработана система анализа теплового состояния ВДКП, которая разбивает термодинамическую задачу на этапы. На первом этапе создается динамическая модель, которая решает связанную электромагнитную и тепловую задачу. На втором этапе оценивается перегрев обмотки, железа якоря и постоянных магнитов по методу эквивалентных тепловых схем замещения при уже установившихся потерях. На третьем этапе осуществляется уточненный анализ на основе метода конечных элементов, который учитывает точное значение потерь и реальное движение тепловых потоков к поверхностям схода тепла.
7. Разработана трехмерная твердотельная модель ВДКП, которая является основой для комплекта конструкторско-технологической документации по производству реального образца. Для проверки собираемости и технологичности конструкции изготовлена масштабная модель по технологии 31) принтера, которая подтвердила принятые конструкторские и технологические решения.
8. На основе проведенных исследований создана система проектирования мощных крупногабаритных ВДКП. Система позволяет, начиная от технического задания, определить оптимальную геометрию по заданным критериям и провести подробный анализ электромагнитного и теплового состояния на основе современных САЕ систем.
В диссертационном исследовании поднята проблема разработки мощных габаритных электродвигателей с высококоэрцитивными постоянными магнитами. В работе решен ряд проблем для вентильного двигателя с когтеобразными полюсами. Дальнейшее направление данного исследования следует развивать для электрических двигателей других типов и других конструктивных исполнений. Так же следует уделить особое внимание разработке конструкторских систем для сквозных безбумажных технологий, которые являются перспективой электромашиностроения...
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
