Способы повышения надежности всыпных обмоток асинхронных машин

Способы повышения надежности обмотки статора высокотемпературных генераторов, интегрированных в газотурбинный двигатель

Физико-математические науки

• Исмагилов Флюр Рашитович , доктор наук, профессор, заведующий кафедрой
• Ширков Алексей Анатольевич , бакалавр, студент
• Уфимский государственный авиационный технический университет

• УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
• ОБМОТКА СТАТОРА
• ТЕРМОСТОЙКИЕ ПРОВОДА
• ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
• ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГЕНЕРАТОР
• НАДЕЖНОСТЬ
• ИСПАРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

Похожие материалы

Во всем мире ведутся работы по повышению электрификации газотурбинных двигателей и созданию More Electrical Engine (MEE) [1,2]. Основным условием при создании MEE является избавление от коробки передач Auxiliary Gear—Box (AGB) между ротором газотурбинного авиационного двигателя (ГТД) и генератором. Высокотемпературный генератор (ВГ) устанавливается непосредственно на ротор высокого давления, частота вращения которого изменяется в зависимости от режима полета воздушного судна и составляет от 9000÷15000 об/мин, при этом главной сложностью при создании ВГ является то, что температура окружающей среды на роторе высокого давления составляет 300÷330°С при давлении до 5 Бар.

Авторами разработан синхронный высокотемпературный генератор (СВГ), который работает на выпрямитель в системе электроснабжения постоянным напряжением 270 В. СВГ эксплуатируется в ограниченных условиях охлаждения при температуре 300÷330°С и требует обеспечения надежности, заданной нормативно-технической документацией. Изоляционные материалы должны быть не подвержены горению в течение пяти минут и обеспечивать пожаробезопасность ГТД. Для решения данной проблемы авторами предложены несколько способов повышения надежности обмотки статора высокотемпературного генератора, интегрированного в ГТД.

Первый способ [1] повышения надежности заключается в использовании усиленной изоляции из термостойких материалов, таких как: стекловолокно, жаростойкие пропитки, силиконовые покрытия, лак и т.д. На рынке предлагаются следующие марки термостойких проводов:

• ПОЖ-300 (медный проводник с покрытием железо-никель, рабочая температура до 300°С, а в течение ограниченного времени до 700°С. В качестве изоляции используется стекловолокно, пропитанное жаростойкой композицией и покрытое дополнительным лаковым слоем);
• ПОТ-400АС (медный проводник с покрытием железо-никель, рабочая температура до 400°С);
• NVS-450 (никелевый термостойкий провод с стекловолокнистой изоляцией, покрытой силиконом, рабочая температура до 450°С).

У проводов марки NVS-450 удельное сопротивление при 20°С составляет 0,088 Ом/м, а у проводов марки ПОЖ-300 и ПОТ-400АС с медными проводниками с железо-никелевым покрытием удельное сопротивление при 20°С составляет 0,0185 Ом/м (при 400°С около 0,0517 Ом/м), что в пять раз меньше сопротивления проводов марки NVS-450. Повышенное сопротивление приведет к увеличенным омическим потерям в высокотемпературном генераторе. Поэтому в качестве обмотки статора необходимо применять провод марки ПОТ-400АС, но при этом проектировать систему охлаждения таким образом, чтобы максимальная температура провода не превышала 400°С, при температуре окружающей среды 300÷330°С.

С никелевыми и медными высокотемпературными конкурируют провода из углеводородных нанотрубок, которые обладают следующими преимуществами [2–5]:

• проводники из углеродных нанотрубок превышают по своим возможностям медь и соревнуются с медными проводниками в той же ценовой категории;
• имеют малый вес: 1/5 от веса меди;
• обладают высокой прочностью: предел прочности на разрыв в 20 раз превышает предел прочности меди;
• низкое тепловое расширение (1/3 от теплового расширения меди);
• имеют высокую коррозионную стойкость при любых естественных условиях;
• электрические характеристики равны характеристикам медных проводов для электроэнергетических систем.

Второй способ, способствующий повышению надежности — обеспечение системы охлаждения. Система охлаждения с помощью внешнего обдува не обеспечивает необходимого охлаждения рабочих частей СВГ [6], надежность которого снижается при повышении температуры. Наиболее перспективной с точки зрения авторов является система испарительного охлаждения СВГ, в которой перенос тепла от внутренних областей СВГ к периферии осуществляется с помощью тепловых труб, заполненных теплоносителем — веществом, находящимся в жидком состоянии при температуре окружающей среды и имеющих низкую температуру парообразования. Для охлаждения используется хладагент с температурой 47,6°С при давлении 1кгс/см 2 [7].

Третий способ для повышения надежности обмотки статора [8,9] заключается в использовании между лобовыми частями огнестойкой защитной полимерной оболочки из поливинилхлорида (ПВХ). Преимущества: пониженная пожарная опасность; работоспособность при температуре 750 °С в течение 180 минут; при воздействии пламени низкое дымовыделение с низкой токсичностью продуктов горения. А также в воздушном зазоре между статором и ротором устанавливается теплоизоляционный экран, который предохраняет постоянные магниты от тепловых потоков, создаваемых обмотками статора. При этом сам теплоизоляционный экран является не электропроводным.

Проведен анализ способов повышения надежности статорной обмотки высокотемпературных генераторов, интегрированных в газотурбинный двигатель. Определены три способа повышения надежности статорной обмотки высокотемпературного генератора, эксплуатируемого в осложненных условиях окружающей среды: использование: термостойких проводников статорной обмотки с наименьшим удельным сопротивлением; термоизолирующих экранов; прокладок из поливинилхлорида; выбрана эффективная испарительная система охлаждения.

Список литературы

1. Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е., Фаррахов Д.Р., Якупов А.М., Бекузин В.И. Бескорпусный стартер-генератор, интегрированный в авиационный двигатель // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. –2016. – №1. – С.98–102.
2. Carbon nanomaterials of the global industry URL: http://ocsial.com/ru/ (дата обращения 20.10.2016).
3. Pyrhönen J., Montonen J., Lindh P., Vauterin J.J., Otto M.J. Replacing copper with new carbon nanomaterials in electrical machine windings// International Review of Electrical Engineering.– 2015 – №1. – Рр.115–117.
4. Трусов Л. А. Прозрачные проводящие сетки из углеродных нанотрубок: материалы объединенного семинар «Физика и химия углеродных наноструктур» 03.10.2013». URL:http://www.rusnor.org/pubs/articles/12901.htm (дата обращения 25.10.2016).
5. Елецкий А. В., Книжник А. А. и др. Электрические характеристики полимерных композитов, содержащих углеродные нанотрубки // УФН. –2015. – №11. – С.225-270.
6. Van Der Geest M., Polinder H., Ferreira J.A., Zeilstra D. Machine selection and initial design of an aerospace starter/generator // 2013 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC – Chicago, IL; United States–12 May 2013 through 15 May 2013.
7. Краус А.Д. Охлаждение электронного оборудования. М. Изд-во: Энергия – 2015. – 246 с.
8. Besnard J.-P. Biais, F. Martinez M. Electrical rotating machines and power electronics for new aircraft equipment systems // ICAS-Secretariat-25th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences. –2006. – №1. – Рр.115–117.
9. Ishak D., Zhu Z. Q. Comparison of PM Brushless Motors, Having Either All Teeth or Alternate Teeth Wound // IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 21, No. 1, March 2006. – Рp. 95-103.

Завершение формирования электронного архива по направлению «Науки о Земле и энергетика»

Создание электронного архива по направлению «Науки о Земле и энергетика»

Электронное периодическое издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство о регистрации СМИ — ЭЛ № ФС77-41429 от 23.07.2010 г.

Соучредители СМИ: Долганов А.А., Майоров Е.В.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Всыпная обмотка

Всыпная обмотка применяется в статорах наиболее распространенных электрических машин — низковольтных асинхронных двигателях мощностью до 100 кВт, а также в статорах синхронных машин, той же мощности и напряжения. [1]

Всыпная обмотка укладывается в пазы якорей машин небольшой мощности механизированным способом на автоматических или полуавтоматических обмоточных станках. Обмоточный провод сматывается непосредственно с барабанов без предварительной намотки заготовок катушек. [2]

Всыпная обмотка укладывается в пазы через шлицы пазов. Если попытаться вынуть проводники старой обмотки также через шлицы пазов, то неизбежно повредятся тонкие усики зубцов, так как сцементированные лаком проводники будут отгибать их вверх. [3]

Всыпная обмотка изготавливается из обмоточного провода круглого сечения. Провод наматывают на шаблон для придания катушке предварительной формы. Затем катушки укладывают в заранее изолированные пазы трапецеидальной формы. После укладки катушек и закрепления их в пазах посредством клиньев или крышек производят формовку лобовых частей и их бандажи-рование. Затем обмотанный статор пропитывают. [4]

Всыпная обмотка выполняется у машин малой мощности, а шаблонная — у машин средней и большой мощности. [6]

Всыпная обмотка может быть однослойной или двухслойной, укладку ее производят по одному проводнику через прорезь ( шлиц) паза, изолированного от сердечника стали при помощи пазовой коробочки. [7]

Всыпную обмотку из мягких катушек в единых сериях асинхронных двигателей применяют при мощностях до 100 кет. При мощностях более 400 кет и напряжениях выше 660 в статоры имеют открытые пазы, в которые укладывают катушки с непрерывной изоляцией. Стержневые обмотки встречаются только в крупных машинах мощностью в десятки и сотни тысяч киловатт, главным образом в турбо — и гидрогенераторах. [8]

Всыпную обмотку изготовляют на намоточном станке с помощью универсального шаблона отдельными секциями катушек из провода небольшого диаметра. [10]

Всыпную обмотку изготовляют на намотечном станке с помощью универсального шаблона отдельными секциями катушек из провода небольшого диаметра. [12]

Всыпную обмотку осаживают в пазах, а затем уплотняют и крепят в пазах полукруглыми или плоскими клиньями из дерева ( бука), гетинакса, текстолита или стеклотекстолита. [13]

Всыпную обмотку из мягких катушек в единых сериях асинхронных двигателей применяют при мощностях до 100 кет. При мощностях свыше 400 кет и при напряжениях выше 660 в статоры имеют открытые пазы, в которые укладывают катушки с непрерывной изоляцией. Стержневые обмотки встречаются только в крупных машинах мощностью в десятки и сотни тысяч киловатт, главным образом в турбо — и гидрогенераторах. В однофазных двигателях применяют исключительно всыпные двухслойные обмотки при полузакрытой форме паза. [14]

Если всыпная обмотка должна быть выполнена не одним, а несколькими параллельными проводами, то они наматываются одновременно. Каждый провод сматывается с отдельного барабана и проходит через натяжное устройство. Натяг всех проводов должен быть одинаковый. Он обеспечивается регулировкой натяжных устройств, В асинхронных двигателях старых выпусков число параллельных проводов в обмотке доходило до 10 — 12, что вызывало трудности в размещении оборудования ( 10 — 12 барабанов с обмоточным проводом у одного станка одновременно) и в создании одинакового натяжения провода каждого из барабанов. В новой серии асинхронных двигателей 4А количество параллельных проводов в цбмотке значительно меньше. [15]

Источник

Клуб студентов «Технарь». Уникальный сайт с дипломами и курсовыми для технарей.

Все разделы / Надежность технических систем /

Методические указания — Надёжность электромеханических систем

Тип работы: Пособие Методическое
Форматы файлов: Microsoft Word

Описание:
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Надёжность электроэнергетических систем». Специальность 140205 «Электроэнергетические системы и сеты». 5 курс, 9 семестр. Объём: 14 страниц, шрифт Times New Roman, кегль 16.
Автор и год издания не известны.

Содержание МУ:
Введение.
Требования к отчёту.
Техника безопасности.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВСЫПНЫХ ОБМОТОК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.
Градуированные таблицы для термопары.

Каждая лабораторная работа содержит: цель работы, программа работы, краткие теоретические сведения, порядок выполнения работы, контрольные вопросы, список литературы. Представлены изображения электрических схем.

ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВСЫПНЫХ ОБМОТОК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
1. Цель работы
Целью данной работы является определение вероятности безотказной работы межвитковой изоляции на основе математической модели надежности.
2. Программа работы
1) Провести исследование температуры обмотки асинхронного электродвигателя при заданной частоте включений.
2) По данным наблюдений определить зависимость вероятности безотказной работы межвитковой изоляции обмотки якоря при заданных условиях эксплуатации.
3. Краткие теоретические сведения
Существующие модели надежности всыпных обмоток являются математическими, а точнее вероятностными моделями, разработанными на базе обработки большого объема статистической информации.
В данной работе используется математическая модель надежности межвитковой изоляции всыпных обмоток асинхронных двигателей, разработанная в [4].
4. Порядок выполнения работы
1.Определить количество эффективных проводников в обмотке электродвигателя
2.Определить количество элементов математической модели.
5. Контрольные вопросы
1. Что называется безотказностью технического устройства?
2.Что называется надежностью технического устройства?
3.Назовите способы повышения надежности всыпных обмоток асинхронных машин.

Размер файла: 28 Кбайт
Фаил: (.rar)

Источник

Методические указания — Надёжность электромеханических систем

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Надёжность электроэнергетических систем». Специальность 140205 «Электроэнергетические системы и сеты». 5 курс, 9 семестр. Объём: 14 страниц, шрифт Times New Roman, кегль 16.
Автор и год издания не известны.

Содержание МУ:
Введение.
Требования к отчёту.
Техника безопасности.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВСЫПНЫХ ОБМОТОК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.
Градуированные таблицы для термопары.

Каждая лабораторная работа содержит: цель работы, программа работы, краткие теоретические сведения, порядок выполнения работы, контрольные вопросы, список литературы. Представлены изображения электрических схем.

ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВСЫПНЫХ ОБМОТОК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
1. Цель работы
Целью данной работы является определение вероятности безотказной работы межвитковой изоляции на основе математической модели надежности.
2. Программа работы
1) Провести исследование температуры обмотки асинхронного электродвигателя при заданной частоте включений.
2) По данным наблюдений определить зависимость вероятности безотказной работы межвитковой изоляции обмотки якоря при заданных условиях эксплуатации.
3. Краткие теоретические сведения
Существующие модели надежности всыпных обмоток являются математическими, а точнее вероятностными моделями, разработанными на базе обработки большого объема статистической информации.
В данной работе используется математическая модель надежности межвитковой изоляции всыпных обмоток асинхронных двигателей, разработанная в [4].
4. Порядок выполнения работы
1.Определить количество эффективных проводников в обмотке электродвигателя
2.Определить количество элементов математической модели.
5. Контрольные вопросы
1. Что называется безотказностью технического устройства?
2.Что называется надежностью технического устройства?
3.Назовите способы повышения надежности всыпных обмоток асинхронных машин.

Список литературы
1. Н.Ф. Котеленец, Н.Л. Кузнецов. Испытания и надежность электрических машин. – М.:Высш. шк., 1988. – 232 с.: ил.
2. Н.П. Ермолин, И.П. Жерихин. Надежность электрических машин. – Л.: Энергия, 1976, с
.247.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
1.Цель работы
Целью данной работы является экспериментальное исследование нагрева изоляции трансформатора при различных мощностях нагрузки и определение срока службы изоляции.
2. Программа работы
1)Произвести измерение температуры изоляции обмотки трансформатора при различных нагрузках;
2)По данным опытов построить зависимость срока службы от нагрузки трансформатора.
3. Краткие теоретические сведения
Среди различных факторов, определяющих срок службы изоляции электрических машин и трансформаторов, одним из основных является тепловое строение.
Различают понятия теплоустойчивости и нагревостойкости изоляции.
4. Программа работы
Исследования могут проводиться на лабораторных стендах с трансформаторами или вращающимися электрическими машинами, снабженными устройствами измерения температуры.
При проведении работ на трансформаторах производится сборка схемы, приведенной на рисунке 2.1.
5. Контрольные вопросы
1 Что называется сроками службы изоляции?
2 Дайте определение теплостойкости и нагревостойкости изоляции.

Список литературы
1 Н.Ф. Котеленец, Н.Л. Кузнецов. Испытание и надежность электрических машин. – М.: Высш. школа, 1988 – 232 с.

Источник