FEATURES OF THREE-DIMENSIONAL SIMULATION OF THE ELECTROMAGNETIC FIELDS OF THE ASYNCHRONOUS MOTORS

Autor: Yarymbash, D. S., Kotsur, M. I., Yarymbash, S. T., Kotsur, I. M.
Jazyk: ruština
Rok vydání: 2016
Předmět:
Zdroj: Electrical Engineering and Power Engineering; No 2 (2016): Electrical Engineering and Power Engineering; 43-50
Электротехника и электроэнергетика; No 2 (2016): Электротехника и электроэнергетика; 43-50
Електротехніка та електроенергетика; No 2 (2016): Електротехніка та електроенергетика; 43-50
ISSN: 1607-6761
2521-6244
Popis: Цель. Разработка нового эффективного подхода для реализации трехмерной математической модели нестационарных электрических и магнитных полей в асинхронных двигателях с учетом их конструктивных особенностей, нелинейности электрофизических и магнитных свойств активных и конструкционных материалов, обеспечивающего достоверность и высокую точность моделирования.Методика. Численное моделирование сопряженных пространственных нестационарных электрических и магнитных полей асинхронного двигателя в режиме короткого замыкания методами теории электромагнитных полей, конечных элементов, теории электрических машин и электрических цепей.Результаты. Представлены теоретические исследования и данные моделирования на основе численной реализации методом конечных элементов трехмерной математической модели асинхронного двигателя, отображающей особенности электрических и магнитных процессов преобразования энергии переменного тока в режиме короткого замыкания. Исследованиями установлено, что в зоне лобовых частей асинхронного двигателя малой мощности выделяется до 12,5% энергии его магнитного поля, которая, в основном, локализуется в активной части статора, ротора и воздушном зазоре. В центральной зоне активной части асинхронного двигателя, протяженностью до 60% ее длины, магнитное поле имеет плоскопараллельный характер, но трансформируется в зонах лобовых частей обмоток статора и возле его торцов. Установлены особенности распределения магнитного поля и его энергии, которые оказывают существенное влияние на параметры короткого замыкания асинхронного двигателя малой мощности и режимы его работы.Научная новизна. Определены закономерности распределения индукции и энергии магнитного поля в режиме короткого замыкания и установлены их количественные соотношения для активной зоны и области лобовых частей обмоток статора асинхронных двигателей малой мощности.Практическая значимость. На базе метода конечных элементов реализован новый подход для трехмерного моделирования электромагнитных процессов в асинхронном двигателе, который заключается в дифференциации размеров конечных элементов и использовании аппроксимирующих функций в виде полиномов Лагранжа. Это обеспечивает высокую сходимость численной реализации для переходных процессов режима короткого замыкания, сокращение времени расчетов, требований к вычислительным ресурсам и высокую точность моделирования. Сравнение значений энергии магнитного поля асинхронного двигателя в режиме короткого замыкания показывает, что для аппроксимирующих полиномов Лагранжа первой степени относительная невязка не превышает 3,8% по сравнению с аппроксимирующими полиномами третьей степени, при сокращении времени расчетов в 389 раз и требований к вычислительным ресурсам – до 10 раз.
Мета. Розробка нового ефективного підходу для реалізації тривимірної математичної моделі нестаціонарних електричних і магнітних полів в асинхронних двигунах з урахуванням їх конструктивних особливостей, нелінійності, електрофізичних і магнітних властивостей, активних та конструкційних матеріалів, що забезпечує достовірність і високу точність моделювання.Методика. Чисельне моделювання сполучених просторових нестаціонарних електричних і магнітних полів асинхронного двигуна в режимі короткого замикання, методами теорії електромагнітних полів, скінченних елементів, теорії електричних машин і електричних кіл.Результати. Представлені теоретичні дослідження і дані моделювання на основі чисельної реалізації методом скінченних елементів тривимірної математичної моделі асинхронного двигуна, що відображає особливості електричних і магнітних процесів перетворення енергії змінного струму в режимі короткого замикання. Дослідженнями встановлено, що в зоні лобових частин асинхронного двигуна малої потужності виділяється до 12,5% енергії його магнітного поля, яка, в основному, локалізується в активної частини статора, ротора і повітряному зазорі. У центральній зоні активної частини асинхронного двигуна, протяжністю до 60% її довжини, магнітне поле має плоскопараллельний характер, але трансформується в зонах лобових частин обмоток статора, а також поблизу його торців. Встановлено особливості розподілу магнітного поля і його енергії, які мають істотній вплив на параметри короткого замикання асинхронного двигуна малої потужності і режими його роботи.Наукова новизна. Визначено закономірності розподілу індукції і енергії магнітного поля в режимі короткого замикання, встановлені їх кількісні співвідношення для активної зони і області лобових частин обмоток статора асинхронних двигунів малої потужності.Практична значимість. На базі методу скінченних елементів реалізований новий підхід для тривимірного моделювання електромагнітних процесів в асинхронному двигуні, який полягає в диференціації розмірів скінченних елементів та використанні апроксимуючих функцій у вигляді поліномів Лагранжа. Це забезпечує високу збіжність чисельної реалізації для перехідних процесів режиму короткого замикання, скорочення часу розрахунків, вимог до обчислювальних ресурсів і високу точність моделювання. Порівняння значень енергії магнітного поля асинхронного двигуна в режимі короткого замикання показує, що для апроксимуючих поліномів Лагранжа першого порядку відносна нев’язка не перевищує 3,8% в порівнянні з апроксимуючими поліномами третього порядку, при скороченні часу розрахунків в 389 разів і вимог до обчислювальних ресурсів – до 10 раз.
Purpose. Development of new effective approach for the realization of three-dimensional mathematical model of transient electrical and magnetic fields in induction motors, which based on their design features, the nonlinearity of the electrical and magnetic properties of the active and structural materials, which provides adequacy or high simulation accuracy.Research methods. Numerical simulation of the conjugate spatial transient electrical and magnetic fields of the induction motor in the mode of short-circuit, with the help of methods of the theory of electromagnetic fields, finite element, theory of electrical machines and electrical circuits.The obtained results. Theoretical researches and simulation results, which based on numerical realization of the finite element method of three-dimensional mathematical model of the induction motor are obtained. Theoretical researches indicate the features of electrical and magnetic processes of AC power conversion in a short circuit mode. In the area of the coil ends of the low power asynchronous motor it is allocated to 12,5% of the total energy of its magnetic field, which is mainly localized in the active part of the stator, the rotor and the air gap. In the central area of the active part of the induction motor, the length is up to 60% of the total length of the stator and rotor core, the magnetic field has plane-parallel form, but is transformed into zones of coil ends of the stator windings, and near of its core end. The features of the magnetic field and energy distribution, which have a significant effect on the parameters of a short-circuit of small power induction motor and its operating modes are defined.Scientific novelty. The regularities of the distribution of the induction and magnetic field energy in the short-circuit mode and their quantitative relation for active zone and the area of the coil ends of the stator windings of the low-power asynchronous motors are defined.Practical significance. A new approach for three-dimensional simulation of the electromagnetic process in the induction motor, which consists in differentiating the size of the finite elements and use of approximation functions of Lagrange polynomials based on finite element method are realized. It provides high convergence of numerical realization of short-circuit mode transient processes, reducing the computation time, the requirements for computing resources and high simulation accuracy. Comparison of the energy values of the induction motor magnetic field in short-circuit mode shows, that for Lagrange polynomials approximating the first degree, the relative error do not exceed 3,8% as compared with approximating polynomials of the third degree, while reducing the calculation time in 389 times and requirements for the computational resources – up to 10 times.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: