Главная >> Поддержка >> Онлайн семинары >>

ELCUT для проектирования электротехнических компонентов

моделирование в ELCUT

Семинар 23 ноября 2023

По материалам веб-сайта инжинирингового центра CompMechLab, www.compmechlab.ru.

Классификация примеров

1. Электромеханика: задачи, вовлекающие механические усилия от магнитного поля. К этой теме относятся все электрические машины, электромагниты, реле, магнитные муфты, исполнительные механизмы. Разговор про электрические машины очень обширный, поэтому ограничимся
   1.1. асинхронным двигателем (магнитное поле переменных токов)
   1.2. и, может быть, двигателем с постоянными магнитами (магнитостатика)
2. Нагрев вследствие электромагнитного поля. Он может быть полезным и вредным
   2.1. Полезный нагрев: высокочастотный нагрев стальной заготовки - расчет ВЧ-индуктора для трубной заготовки (магнитное поле переменных токов + нестационарная теплопередача)
   2.2. Вредный (но неизбежный) нагрев: определение максимального тока кабельной линии, который ограничен температурой кабеля. Эта задача вовлекает электромагнитное и температурное поле кабельной линии. (магнитное поле переменных токов + стационарная теплопередача)
3. Расчет поля ради уточнения параметров устройства.
   3.1. Тут я хочу продемонстрировать задачу расчета электромагнитного, температурного и упруго-напряженного поля сварочного трансформатора. (магнитное поле переменных токов + стационарная теплопередача + механика)

Пример-1: Асинхронный двигатель

В качестве примера мы выбрали пример проектирования асинхронного двигателя серии 4А мощностью 15 кВт в 4-полюсном исполнении, детально разобранный в учебнике Копылова «Проектирование электрических машин». Основные размеры и электроданные приведены на слайде.
Моделирование асинхронных двигателей в ELCUT имеет свои особенности. В ELCUT в уравнения не включена ЭДС движения, на которой основан принцип действия асинхронных машин. Поэтому для моделирования применяются известные теоретические приемы: моделирование выполняется в частотной области на частоте питающей сети, ротор и статор неподвижны относительно друг друга, а для учета вращения сопротивление ротора корректируется делением на скольжение: R₂^’ = R₂ / s.
Мы хотим приложить к двигателю напряжение сети и узнать ток при разных скольжениях, в том числе пусковой ток и номинальный ток.

У ELCUT есть особенность: в качестве источника можно прикладывать не только ток, но и напряжение, но только для массивных проводников. Поэтому мы должны моделировать обмотку статора как массивную с правильным числом витков, хотя нас и не интересуют вихревые токи в статоре. В нашей модели число проводников в пазу, и их сечение установлено настоящее. Форма сечения проводника выбрана для удобства прямоугольной.
Катушечные группы обмотки статора соединены звездой, и в схему добавлены резисторы для учета сопротивления лобовых частей обмоток, которые не включены в модель явно. Обмотка ротора замкнута накоротко. При желании мы могли бы учесть в цепи активное и индуктивное сопротивление короткозамыкающих колец беличьей клетки ротора.
Результат моделирования двух режимов – пуск и номинальная скорость вращения – показаны на слайде. Из расчета можно извлечь:

• токи ротора и статора,
• индуктивности для эквивалентной схемы,
• форму и гармонический состав кривой поля в зазоре,
• а также потери в меди и в стали
• и локальные уровни насыщения элементов магнитопровода- зубцов и спинок.

Пример-2: Индуктор для высокочастотного нагрева заготовок

Наш заказчик в Томске, компания Магнит-М, занимается производством установок для высокочастотного нагрева заготовок, включая индукторы и источники питания. Однажды они попросили нас помочь с расчетом индуктора для нагрева стальной заготовки в форме толстостенной трубы. Размеры индуктора и заготовки представлен на слайде.
Для моделирования используется постановка магнитного поля переменных токов на варьируемой частоте питания. Цель расчета – подобрать частоту и напряжение питания, индуктивность и сопротивление катушки при разных положениях заготовки для подбора компенсирующего конденсатора.
Магнитное поле показано на слайде. Потери на переменном токе в катушке используются для подбора ее водяного охлаждения и оценки работоспособности, а потери в заготовке транслируются в тепловую нестационарную задачу, в ходе решения которой оценивается скорость нагрева наружной и внутренней поверхности.

Пример-3: Оценка нагрева подземной кабельной линии

Максимальный длительный ток в кабельной линии электропередачи (КЛ) ограничен условиями нагрева: температура токопроводящей жилы не должна превышать значений, указанных производителем, обычно это 90°С.
Оценка температуры КЛ выполняется в два этапа: сначала моделируем электромагнитное поле при заданных токах в фазах с учетом условий прокладки и выбранной схемы заземления кабельных экранов. Цель электромагнитного расчета – уточнение потерь на переменном токе с учетом скин-эффекта и эффекта близости, а также потерь в близлежащих металлоконструкциях. При расчете учитывается схема заземления экранов кабелей – с одной стороны участка или с обеих сторон.
Полученные потери передаются в температурную задачу – статическую или нестационарную, в результате решения которой находим температуру жилы и других оболочек кабеля.
Особое значение такие расчеты приобретают при групповой прокладке нескольких кабельных линий, например в бетонном кабельном блоке, как на слайде. Это реальный проектный вариант для организации кабельного ввода в подстанцию Василеостровская 10-ти линий 330/110 кВ.
Расчет показал, что стандарт ГОСТ Р МЭК 60287 дает надежные результаты для одной-двух линий, но систематически недооценивает степень электромагнитного и теплового взаимодействия кабелей между собой при большем количестве линий.

Пример-4:

Моделирование сварочного трансформатора выполняется с целью оценки электромагнитных, тепловых и механических нагрузок в нем, а также уточнения его индуктивности короткого замыкания, которая жизненно важна для обеспечения нужного сварочного тока.
Необычность этого аппарата обусловлена его назначением. Его рабочий режим похож на короткое замыкание, и является повторно-кратковременным. Требуется минимизация индуктивности рассеяния для повышения сварочного тока. Аппарат имеет ограниченный габарит и плохие условия охлаждения.
Анализ выполняется в три этапа.

1. Сначала решается электромагнитная задача: по приложенному к первичной обмотке напряжению и заданному сопротивлению нагрузки определяются токи в обмотках с учетом вихревых токов в массивных проводах и уровень индукции в сердечнике.
2. Плотность потерь в меди и в стали автоматически передается в температурную задачу, для которой заданы граничные условия охлаждения и вентиляции. Результатом расчета является температурное поле.
3. Вычисленные в ходе электромагнитного расчета магнитные силы и температурное поле передается в задачу механических напряжений и деформаций, в результате решения которой вычисляются эквивалентное напряжение по критерию фон Мизеса и сравнивается с допустимыми напряжениями для компаунда, заполняющего активную зону.

• Презентация (в формате PDF).
• Видео:
  
  Введение
  
  Что такое ELCUT
  
  Процесс решения задачи в ELCUT
  
  Пример 1. Асинхронный двигатель
  
  Пример 2. Индуктор для ВЧ нагрева заготовок
  
  Пример 3. Максимальный ток кабельной линии
  
  Пример 4. Сварочный трансформатор
  
  Заключение. Ответы на вопросы.
  
• Используемые примеры:
  Асинхронный двигатель
  Индуктор для ВЧ нагрева заготовок
  Максимальный ток кабельной линии
  Сварочный трансформатор