Электрические машины для энергетики и транспорта. Разработка и испытания электрических машин
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Отраслевое машиностроение
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 136
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-2092-1
Артикул: 844493.01.99
Исследованы динамика, особенности и методы испытаний быстроходных электрических машин. Разработан геометрический метод расчета и моделирования указанных машин. Предлагаются новые материалы и технологии изготовления электрических машин. Рассмотрены вопросы выбора изоляции, диагностики и испытаний. Предлагаются решения по выбору систем управления электрических машин. Для студентов по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», а также для слушателей программ профессиональной переподготовки.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ǷǴǿȚȒȣȊȇǧǧDzȇȈȚșȏȔ ȄDzǬDZǹǷǯǾǬǸDZǯǬdzǧǿǯǴȂ ǫDzȆȄǴǬǷǪǬǹǯDZǯǯǹǷǧǴǸǶǵǷǹǧ ǷǧǮǷǧǨǵǹDZǧǯǯǸǶȂǹǧǴǯȆ ȄDzǬDZǹǷǯǾǬǸDZǯǼdzǧǿǯǴ ǺȞȌȈȔȕȌȖȕȘȕȈȏȌ dzȕȘȑȉȇ ǩȕȒȕȊȋȇ ªǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ« 2024
УДК 621.313 ББК 31.261 Ш95 Р е ц е н з е н т ы : д. т. н., проф., НТЦ ФСК ЕЭС Хренников А. Ю.; к. т. н., доц. каф. ТЭВН Хренов С. И. Шульга, Р. Н. Ш95 Электрические машины для энергетики и транспорта. Разработка и испытания электрических машин : учебное пособие / Р. Н. Шульга, А. А. Лабутин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 136 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-2092-1 Исследованы динамика, особенности и методы испытаний быстроходных электрических машин. Разработан геометрический метод расчета и моделирования указанных машин. Предлагаются новые материалы и технологии изготовления электрических машин. Рассмотрены вопросы выбора изоляции, диагностики и испытаний. Предлагаются решения по выбору систем управления электрических машин. Для студентов по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», а также для слушателей программ профессиональной переподготовки. УДК 621.313 ББК 31.261 ISBN 978-5-9729-2092-1 © Шульга Р. Н., Лабутин А. А., 2024 Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 2
ǵǪDzǧǩDzǬǴǯǬ Термины и определения ......................................................................................... 7 Введение ................................................................................................................... 9 1. Исследование динамики быстроходных электрических машин .................. 11 1.1. Подшипники качения ................................................................................. 12 1.2. Подшипники скольжения ........................................................................... 12 1.3. Магнитные подшипники ............................................................................ 14 1.4. Технология сборки электрических машин ............................................... 15 1.5. Балансировка роторов ................................................................................. 15 1.6. Пример разработки ИЭМ мощностью 4 МВт с частотой вращения 25 тыс. об/мин ..................................................................................................... 17 Выводы ................................................................................................................ 19 Список рекомендованной литературы ............................................................. 19 Контрольные вопросы ....................................................................................... 20 Темы рефератов и докладов .............................................................................. 20 2. Особенности быстроходных электрических машин...................................... 21 2.1. Конструкция и принцип работы индукторной электрической машины с осевым возбуждением ..................................................................... 21 2.2. Динамическая математическая модель ИЭМ ........................................... 23 2.3. Система управления ИЭМ .......................................................................... 28 Выводы ................................................................................................................ 30 Список рекомендованной литературы ............................................................. 31 Контрольные вопросы ....................................................................................... 32 Темы рефератов и докладов .............................................................................. 32 3. Стендовые испытания быстроходных электрических машин ...................... 33 3.1. Испытания ИГ мощностью 300 Вт ............................................................ 33 3.2. Испытания ИГ мощностью 10 кВт ............................................................ 36 Выводы ................................................................................................................ 40 Список рекомендованной литературы ............................................................. 40 Контрольные вопросы ....................................................................................... 41 Темы докладов и рефератов .............................................................................. 41 4. Геометрический метод расчета и моделирование стержневых обмоток электрических машин ........................................................................................... 42 4.1. Проектирование транспозиции проводников в пазу ЭМ ........................ 43 4.2. Общее определение конфигурации стержней обмотки .......................... 44 3
4.3. Определение вылета лобовых частей обмотки ........................................ 44 4.4. Определение поперечной геометрии стержней ....................................... 46 4.5. Прочерчивание лобовых частей всех стержней ....................................... 47 4.6. Возможность уменьшения внешнего диаметра лобовых частей обмотки ................................................................................................... 48 4.7. Прочерчивание пайки схемы ..................................................................... 48 4.8. Проектирование стержневой обмотки с лобовыми частями, выполненными под произвольным углом ....................................................... 49 4.9. Геометрическое моделирование, расчет и создание 3D модели ЭМ ..... 50 4.10. Перспективы разработки САПР и 3D модели ЭМ ................................ 51 Выводы ................................................................................................................ 51 Список рекомендуемой литературы ................................................................ 52 Контрольные вопросы ....................................................................................... 53 Темы для рефератов и докладов ....................................................................... 53 5. Новые материалы и технологии электрических машин ................................ 54 5.1. Электрическая эффективность и удельная емкость источников генерации и накопителей ................................................................................... 54 5.2. Энергообеспечение ЦОД ............................................................................ 57 5.3. Энергоэффективность ИБП ........................................................................ 58 5.4. Надежность ИБП ......................................................................................... 59 5.5. Кинетические накопители электроэнергии (КНЭ) .................................. 61 5.6. Компенсация реактивной мощности в электроэнергетических системах .............................................................................................................. 62 5.7. Электрические машины для КНЭ и ДИБП ............................................... 68 5.8. Магнитомягкие материалы (ММ) .............................................................. 70 5.9. Характеристики ЭМ с пониженными габаритами и повышенной энергоэффективностью ...................................................................................... 72 5.10. Конструкции роторов электрических машин с постоянными магнитами ........................................................................................................... 74 Выводы ................................................................................................................ 81 Список рекомендуемой литературы ................................................................ 81 Контрольные вопросы ....................................................................................... 82 Темы рефератов и докладов .............................................................................. 83 6. К вопросу выбора изоляции электрических машин ...................................... 84 6.1. Анализ существующих стандартов ЭМ .................................................... 84 6.2. Материалы ЭМ ............................................................................................ 85 6.3. Воздействия на ИЭМ .................................................................................. 86 6.4. Увлажнение и нагрев ИЭМ ........................................................................ 87 6.5. Свойства диэлектриков ............................................................................... 87 6.6. Диэлектрические потери ............................................................................ 88 6.7. Расчет диэлектрических потерь ................................................................. 88 4
6.8. Электрическая прочность изоляции .......................................................... 89 6.9. Электрический и тепловой пробой ........................................................... 89 6.10. Выбор системы изоляции ......................................................................... 90 6.11. Пример выбора главной (пазовой) изоляции ЭМ .................................. 93 Выводы ................................................................................................................ 95 Список рекомендуемой литературы ................................................................ 95 Контрольные вопросы ....................................................................................... 96 Темы рефератов и докладов .............................................................................. 96 7. Диагностика изоляции электрических машин ............................................... 97 7.1. Существующие методы контроля состояния элементов статора ЭМ ..... 98 7.2. Существующие средства диагностики изоляции ЭМ малой и средней мощности ........................................................................................... 98 7.3. Системы диагностики изоляции крупных ЭМ ....................................... 101 7.4. Диагностика изоляции ЭМ с использованием ЧР ................................. 102 7.5. Методология диагностики изоляции ЭМ [11]........................................ 104 Выводы .............................................................................................................. 107 Список рекомендуемой литературы .............................................................. 108 Контрольные вопросы ..................................................................................... 108 Темы рефератов и докладов ............................................................................ 109 8. Испытания изоляции электрических машин ................................................ 110 8.1. Показатели состояния изоляции ЭМ ....................................................... 111 8.2. Стандарты испытаний изоляции ЭМ ...................................................... 114 8.3. Пример выбора статорной изоляции ЭМ ............................................... 114 8.4. Особенности испытаний ЭМ повышенным напряжением ................... 115 8.5. Испытания межвитковой изоляции ЭМ ................................................. 116 8.6. Динамические испытания ЭМ под нагрузкой ........................................ 117 8.7. Испытания изоляции ЭМ с использованием ЧР .................................... 117 Выводы .............................................................................................................. 118 Список рекомендуемой литературы .............................................................. 118 Контрольные вопросы ..................................................................................... 119 Темы рефератов и докладов ............................................................................ 119 9. Системы управления электрическими машинами ....................................... 120 9.1. Рынок электроприводов и систем их управления .................................. 120 9.2. Рынок электродвигателей ......................................................................... 121 9.3. Система управления коллекторным двигателем постоянного тока (КДПТ) ............................................................................................................... 121 9.4. Система векторного управления коллекторными электродвигателями постоянного тока (КДПТ) и электродвигателями переменного тока ............................................................................................. 123 9.5. Классификация методов векторного управления .................................. 125 5
9.6. СУ индукторного генератора с осевым возбуждением ........................ 126 9.7. Основные режимы работы системы управления СЭП (СЭС) по рис. 9.5 .......................................................................................................... 128 9.8. Основные алгоритмы управления СЭП (СЭС) ...................................... 129 9.9. Структура микропрограммы управления СЭП (СЭС) .......................... 131 Выводы .............................................................................................................. 133 Список рекомендуемой литературы .............................................................. 133 Контрольные вопросы ..................................................................................... 134 Темы рефератов и докладов ............................................................................ 135 6
ǹǬǷdzǯǴȂǯǵǶǷǬǫǬDzǬǴǯȆ АБ – аккумуляторная батарея АМ – асинхронная машина АЦП – аналого-цифровой преобразователь ГП – гидравлический привод Г/Д – генератор/двигатель ГТ – газовая турбина ДГ – дизель-генератор ДН – делитель напряжения ДТ – делитель тока ВИЭ – возобновляемый источник энергии ВИРМ – вентильно-индукторная реактивная машина ВЭИ – Всероссийский электротехнический институт ВЭУ – ветроэлектрическая установка ДВС – двигатель внутреннего сгорания ДИБП – динамический источник бесперебойного питания ДПИ – динамическая прочность изоляции ИБП – источник бесперебойного питания ИВН – импульс высокого напряжения ИГ – индукторный генератор ИН – испытательное напряжение ИС – испытательный стенд ИЭМ – индукторная электрическая машина КБ – конструкторское бюро КДПТ – коллекторный двигатель постоянного тока ЛИА – литий-ионный аккумулятор МВИ – межвитковая изоляция ММ – магнитомягкий материал МКЭ – метод конечных элементов МУ – механизм управления НЭЭ – накопитель электроэнергии ПВМ – пространственно-векторная модуляция РЖД – Российские железные дороги РН – рабочее напряжение ПГУ – парогазовая установка 7
ПИД – пропорциональный, интегральный, дифференциальный ПМ – постоянный магнит ПН – преобразователь напряжения ПП – пневматический привод ОИМ – одноименнополюсная индукторная машина САПР – система автоматического проектирования СВЧ – сверхвысокая частота СИБП – статический источник бесперебойного питания СК – суперконденсатор СПИНЭ – сверхпроводящий индуктивный накопитель СМПМ – синхронная машина с постоянными магнитами СРМ – синхронная реактивная машина СЭП – система электропитания СЭС – система электроснабжения СУ – система управления ТПТЭ – твердополимерный топливный элемент ТПУ – технологический пульт управления ТОТЭ – твердооксидный топливный элемент ТЭ – топливный элемент ТЭС – тепловая электростанция ЭД – электродвигатель ЭДС – электродвижущая сила ЭМП – электромагнитное поле ЭМ – электрическая машина ЭП – электрический привод ФКТЭ – фосфорно-кислотный топливный элемент ФЭСС – фильтр экспоненциального скользящего среднего ФЭУ – фотоэлектрическая установка ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь ЦОД – центр обработки данных ШИМ – широтно-импульсная модуляция ЧР – частичный разряд 8
ǩǩǬǫǬǴǯǬ Учебное пособие «Электрические машины для энергетики и транспорта» написано в связи с бурным развитием электрофикации в электроэнергетике, на транспорте, электроприводе, нефте- и газодобыче, в коммунальном и домашнем хозяйстве. Основой этого направления является общемировой тренд на замещение углеводородной энергетики «зеленой» энергетикой в составе ВИЭ, ФЭУ, ВЭУ, НЭЭ и различных средств силовой электроники. Основным элементом указанного направления являются ЭМ, которые за последнее время получили второе дыхание, как в части схемотехники и разнообразия на переменном и постоянном токе. Особенное развитие наблюдается в части быстродействующих и высоковольтных машин, а также в части новых технологий и материалов, повышающих энергоэффективность и нагревостойкость, снижающих массогабаритные показатели ЭМ. Последнее направление особенно актуально, т. к. требует разработки и применения новых магнитомягких материалов в виде сплавов для замещения электротехнической стали, новых компаундов и диэлектриков с повышенной надежностью и нагревостойкостью. ЭМ нового поколения разрабатываются в составе электротехнических комплексов, которые содержат в своем составе наряду с ЭМ, ПН, СУ, НЭЭ и другие элементы. В результате на ЭМ воздействуют дополнительные воздействия в виде импульсных, гармонических и др. составляющих токов и напряжений, которые способствуют старению и износу изоляции ЭМ и требуют дополнительного учета при разработке, испытаниях и эксплуатации электрооборудования. Учебное пособие состоит из двух самостоятельных частей. Первая часть посвящена разработке и испытаниям ЭМ преимущественно быстродействующих малой и средней мощности. Базой таких машин принята индукторная электрическая машина ИЭМ с осевым возбуждением, которая недостаточно исследована в литературе, но находит все большее применение в электроэнергетике и электроприводе. Такая машина в отличие от других ЭМ требует расчета в 3D измерениях, в связи с чем начальные главы посвящены исследованию динамики, методики расчета и геометрического моделирования, возможности разработки САПР и цифровых двойников ИЭМ. Следующие главы посвящены разработке и применению новых технологий и материалов ЭМ и выбору изоляции с их использованием. Важным раз9
делом пособия являются вопросы диагностики и испытаний изоляции ЭМ, которые определяет надежность ЭМ за счет старения в процессе эксплуатации и требует новых подходов с использованием методик спектрального анализа, измерения ЧР и др. методик. Последняя глава первой части посвящена системам управления и преобразования в составе СЭП и СЭС, являющихся основой электроснабжения и электропитания различных применений. Вторая часть описывает применение ЭМ в различных устройствах энергетики и транспорта. Учебное пособие предназначено для изучения курса повышения квалификации «Электромеханика» и дипломного проектирования по курсу «Электромеханика». При написании и оформлении учебного пособия неоценимую помощь оказали Т. С. Иванова и Т. С. Смирнова, которым авторы высказывают благодарность и всяческое содействие в научном развитии. Для удобства пользования ссылки на литературу приведены в конце каждого раздела. Нумерация рисунков и таблиц сквозная в пределах глав. 10