Υπολογισμός και μελέτη μεταβατικής θερμικής κατάστασης ασύγχρονης μηχανής
H βασική παράμετρος που καθορίζει, για πόσο χρόνο μπορεί μια ηλεκτρική μηχανή να λειτουργήσει με ένα δεδομένο φορτίο, είναι η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στο εσωτερικό της. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αύξηση της θερμοκρασίας πέρα από τα επιτρεπτά όρια που ορίζει ο κατασκευαστής επιφέρει ανεπι...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2016
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/9704 |
| id |
nemertes-10889-9704 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Θερμική μελέτη Ασύγχρονοι κινητήρες Συγκεντρωμένες παράμετροι Θερμικά δίκτυα Μέτρηση θερμοκρασίας Thermal analysis Induction motors Lumped parameters Thermal models Temperature measurent 621.313 6 |
| spellingShingle |
Θερμική μελέτη Ασύγχρονοι κινητήρες Συγκεντρωμένες παράμετροι Θερμικά δίκτυα Μέτρηση θερμοκρασίας Thermal analysis Induction motors Lumped parameters Thermal models Temperature measurent 621.313 6 Κίτσος, Γρηγόριος Υπολογισμός και μελέτη μεταβατικής θερμικής κατάστασης ασύγχρονης μηχανής |
| description |
H βασική παράμετρος που καθορίζει, για πόσο χρόνο μπορεί μια ηλεκτρική μηχανή να λειτουργήσει με ένα δεδομένο φορτίο, είναι η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στο εσωτερικό της. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αύξηση της θερμοκρασίας πέρα από τα επιτρεπτά όρια που ορίζει ο κατασκευαστής επιφέρει ανεπιθύμητα αποτελέσματα στη λειτουργία των μηχανών ακόμα και την καταστροφή τους. Τα κυριότερα προβλήματα που εντοπίζονται, έχουν να κάνουν με τη φθορά των μονωτικών υλικών και την επιτάχυνση της μείωσης του χρόνου ζωής τους, όταν η θερμοκρασία υπερβεί μια καθορισμένη τιμή, καθώς και με τη μείωση του βαθμού απόδοσης ισχύος της μηχανής. Άλλα ανεπιθύμητα αποτελέσματα της μεγάλης θερμοκρασίας στα μέρη των μηχανών, μπορεί να είναι αλλαγές της γεωμετρίας κάποιων εξαρτημάτων της μηχανής εξαιτίας της θερμικής διαστολής των υλικών τους, καθώς και υποβάθμιση του λιπαντικού και του υλικού κατασκευής των εδράνων του άξονα. Εξαιτίας τέτοιων προβλημάτων, αλλά και δεδομένης της ανάγκης για βελτιστοποίηση της σχεδίασης των ηλεκτρικών μηχανών και το σχεδιασμό όλο μικρότερων και πιο οικονομικών μηχανών, η θερμική ανάλυση των μηχανών αποτελεί πλέον ένα αρκετά σημαντικό πεδίο έρευνας της επιστήμης των ηλεκτρικών μηχανών.
Για να προβλεφθεί η άνοδος της θερμοκρασίας στα μέρη των μηχανών και να γίνει βελτιστοποίηση της σχεδίασης τους, χρησιμοποιούνται θερμικά μοντέλα τα οποία μας δίνουν πληροφορίες για τη θερμική συμπεριφορά τέτοιων θερμοδυναμικών συστημάτων. Συνήθως για την επίλυση τέτοιων προβλημάτων χρησιμοποιείται είτε η μέθοδος κυκλωμάτων συγκεντρωμένων παραμέτρων, είτε τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Ένα θερμικό μοντέλο συγκεντρωμένων παραμέτρων μπορεί να μας δώσει πληροφορίες για τη μέση τιμή της θερμοκρασίας ενός στοιχείου υπολογίζοντας την τιμή της τόσο για την περίπτωση της μόνιμης όσο και της μεταβατικής θερμικής κατάστασης. Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι περιγράφει το θερμικό σύστημα με απλές μαθηματικές εκφράσεις, καθώς και η εύκολη επίλυση του προβλήματος. Για την εξαγωγή αυτών των εκφράσεων όμως απαιτείται μελέτη του αρχικού συστήματος και μελέτη των μηχανισμών ανάπτυξης και μετάδοσης της θερμότητας. Τα θερμικά μοντέλα που βασίζονται στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων, επιλύουν το θερμικό πρόβλημα υπολογίζοντας με ακρίβεια τη συνάρτηση θερμοκρασίας σε όλο τον όγκο της μηχανής και η χρήση τους ενδείκνυται για την επίλυση προβλημάτων μόνιμης αλλά και μεταβατικής κατάστασης, όπου παρατηρούνται μεγάλες διαφορές στη θερμοκρασία μεταξύ των εξαρτημάτων της μηχανής, όπως για παράδειγμα στην περίπτωση ενός κινητήρα που εκκινεί με φορτίο μεγάλης αδράνειας, λειτουργία υπό ασύμμετρη τροφοδοσία ή σε περίπτωση που εξαιτίας σφαλμάτων του συστήματος ψύξης εμφανίζονται ασυμμετρίες στην κατανομή της θερμοκρασίας. Μειονέκτημα της θερμικής ανάλυσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων είναι ότι πρώτον είναι απαραίτητη η χρήση κατάλληλων λογισμικών πακέτων για τη σχεδίαση του μοντέλου καθώς και εξελιγμένη υπολογιστική ισχύς.
Για την περίπτωση μιας μηχανής χαμηλής ισχύος, στην οποία δεν εμφανίζονται μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ των εξαρτημάτων, ενδείκνυται η χρήση ενός μοντέλου συγκεντρωμένων παραμέτρων, το οποίο θα επιλύει εύκολα το θερμικό πρόβλημα. Η εργασία αυτή ασχολείται με την κατασκευή και παρουσίαση ενός τέτοιου θερμικού δικτύου για την περίπτωση μιας ασύγχρονης μηχανής κλωβού, ισχύος 4 kW και τύπου TEFC. Σκοπός μας είναι να επεκτείνουμε τη μοντελοποίηση εισάγοντας τις θερμοχωρητικότητες των σωμάτων και να πραγματοποιηθεί πειραματικός έλεγχος της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων. Το πείραμα περιλαμβάνει την καταγραφή θερμοκρασιών στην περιοχή του στάτη της μηχανής κατά την ονομαστική λειτουργία της, από τη στιγμή της εκκίνησης μέχρι τη στιγμή που φτάνει σε θερμική κατάσταση ισσοροπίας. Επίσης θα παρουσιαστεί η κατασκευή της μετρητικής συσκευής που υλοποιήθηκε στα πλαίσια της εργασίας και χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρησης της θερμοκρασίας μέσω των θερμοζευγών. |
| author2 |
Καππάτου, Τζόγια |
| author_facet |
Καππάτου, Τζόγια Κίτσος, Γρηγόριος |
| format |
Thesis |
| author |
Κίτσος, Γρηγόριος |
| author_sort |
Κίτσος, Γρηγόριος |
| title |
Υπολογισμός και μελέτη μεταβατικής θερμικής κατάστασης ασύγχρονης μηχανής |
| title_short |
Υπολογισμός και μελέτη μεταβατικής θερμικής κατάστασης ασύγχρονης μηχανής |
| title_full |
Υπολογισμός και μελέτη μεταβατικής θερμικής κατάστασης ασύγχρονης μηχανής |
| title_fullStr |
Υπολογισμός και μελέτη μεταβατικής θερμικής κατάστασης ασύγχρονης μηχανής |
| title_full_unstemmed |
Υπολογισμός και μελέτη μεταβατικής θερμικής κατάστασης ασύγχρονης μηχανής |
| title_sort |
υπολογισμός και μελέτη μεταβατικής θερμικής κατάστασης ασύγχρονης μηχανής |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/9704 |
| work_keys_str_mv |
AT kitsosgrēgorios ypologismoskaimeletēmetabatikēsthermikēskatastasēsasynchronēsmēchanēs AT kitsosgrēgorios transientstatethermalanalysisofinductionmotor |
| _version_ |
1771297304407441408 |
| spelling |
nemertes-10889-97042022-09-05T20:41:35Z Υπολογισμός και μελέτη μεταβατικής θερμικής κατάστασης ασύγχρονης μηχανής Transient state thermal analysis of induction motor Κίτσος, Γρηγόριος Καππάτου, Τζόγια Καππάτου, Τζόγια Τατάκης, Εμμανουήλ Kitsos, Gregorios Θερμική μελέτη Ασύγχρονοι κινητήρες Συγκεντρωμένες παράμετροι Θερμικά δίκτυα Μέτρηση θερμοκρασίας Thermal analysis Induction motors Lumped parameters Thermal models Temperature measurent 621.313 6 H βασική παράμετρος που καθορίζει, για πόσο χρόνο μπορεί μια ηλεκτρική μηχανή να λειτουργήσει με ένα δεδομένο φορτίο, είναι η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στο εσωτερικό της. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αύξηση της θερμοκρασίας πέρα από τα επιτρεπτά όρια που ορίζει ο κατασκευαστής επιφέρει ανεπιθύμητα αποτελέσματα στη λειτουργία των μηχανών ακόμα και την καταστροφή τους. Τα κυριότερα προβλήματα που εντοπίζονται, έχουν να κάνουν με τη φθορά των μονωτικών υλικών και την επιτάχυνση της μείωσης του χρόνου ζωής τους, όταν η θερμοκρασία υπερβεί μια καθορισμένη τιμή, καθώς και με τη μείωση του βαθμού απόδοσης ισχύος της μηχανής. Άλλα ανεπιθύμητα αποτελέσματα της μεγάλης θερμοκρασίας στα μέρη των μηχανών, μπορεί να είναι αλλαγές της γεωμετρίας κάποιων εξαρτημάτων της μηχανής εξαιτίας της θερμικής διαστολής των υλικών τους, καθώς και υποβάθμιση του λιπαντικού και του υλικού κατασκευής των εδράνων του άξονα. Εξαιτίας τέτοιων προβλημάτων, αλλά και δεδομένης της ανάγκης για βελτιστοποίηση της σχεδίασης των ηλεκτρικών μηχανών και το σχεδιασμό όλο μικρότερων και πιο οικονομικών μηχανών, η θερμική ανάλυση των μηχανών αποτελεί πλέον ένα αρκετά σημαντικό πεδίο έρευνας της επιστήμης των ηλεκτρικών μηχανών. Για να προβλεφθεί η άνοδος της θερμοκρασίας στα μέρη των μηχανών και να γίνει βελτιστοποίηση της σχεδίασης τους, χρησιμοποιούνται θερμικά μοντέλα τα οποία μας δίνουν πληροφορίες για τη θερμική συμπεριφορά τέτοιων θερμοδυναμικών συστημάτων. Συνήθως για την επίλυση τέτοιων προβλημάτων χρησιμοποιείται είτε η μέθοδος κυκλωμάτων συγκεντρωμένων παραμέτρων, είτε τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Ένα θερμικό μοντέλο συγκεντρωμένων παραμέτρων μπορεί να μας δώσει πληροφορίες για τη μέση τιμή της θερμοκρασίας ενός στοιχείου υπολογίζοντας την τιμή της τόσο για την περίπτωση της μόνιμης όσο και της μεταβατικής θερμικής κατάστασης. Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι περιγράφει το θερμικό σύστημα με απλές μαθηματικές εκφράσεις, καθώς και η εύκολη επίλυση του προβλήματος. Για την εξαγωγή αυτών των εκφράσεων όμως απαιτείται μελέτη του αρχικού συστήματος και μελέτη των μηχανισμών ανάπτυξης και μετάδοσης της θερμότητας. Τα θερμικά μοντέλα που βασίζονται στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων, επιλύουν το θερμικό πρόβλημα υπολογίζοντας με ακρίβεια τη συνάρτηση θερμοκρασίας σε όλο τον όγκο της μηχανής και η χρήση τους ενδείκνυται για την επίλυση προβλημάτων μόνιμης αλλά και μεταβατικής κατάστασης, όπου παρατηρούνται μεγάλες διαφορές στη θερμοκρασία μεταξύ των εξαρτημάτων της μηχανής, όπως για παράδειγμα στην περίπτωση ενός κινητήρα που εκκινεί με φορτίο μεγάλης αδράνειας, λειτουργία υπό ασύμμετρη τροφοδοσία ή σε περίπτωση που εξαιτίας σφαλμάτων του συστήματος ψύξης εμφανίζονται ασυμμετρίες στην κατανομή της θερμοκρασίας. Μειονέκτημα της θερμικής ανάλυσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων είναι ότι πρώτον είναι απαραίτητη η χρήση κατάλληλων λογισμικών πακέτων για τη σχεδίαση του μοντέλου καθώς και εξελιγμένη υπολογιστική ισχύς. Για την περίπτωση μιας μηχανής χαμηλής ισχύος, στην οποία δεν εμφανίζονται μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ των εξαρτημάτων, ενδείκνυται η χρήση ενός μοντέλου συγκεντρωμένων παραμέτρων, το οποίο θα επιλύει εύκολα το θερμικό πρόβλημα. Η εργασία αυτή ασχολείται με την κατασκευή και παρουσίαση ενός τέτοιου θερμικού δικτύου για την περίπτωση μιας ασύγχρονης μηχανής κλωβού, ισχύος 4 kW και τύπου TEFC. Σκοπός μας είναι να επεκτείνουμε τη μοντελοποίηση εισάγοντας τις θερμοχωρητικότητες των σωμάτων και να πραγματοποιηθεί πειραματικός έλεγχος της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων. Το πείραμα περιλαμβάνει την καταγραφή θερμοκρασιών στην περιοχή του στάτη της μηχανής κατά την ονομαστική λειτουργία της, από τη στιγμή της εκκίνησης μέχρι τη στιγμή που φτάνει σε θερμική κατάσταση ισσοροπίας. Επίσης θα παρουσιαστεί η κατασκευή της μετρητικής συσκευής που υλοποιήθηκε στα πλαίσια της εργασίας και χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρησης της θερμοκρασίας μέσω των θερμοζευγών. The main factor that determines the time we can operate an electrical motor with a specific load is temperature. When the temperature exceeds the manufacturer nominal rating, the device is not working properly and the overheat causes a wide range of different malfunctions. Most common problems caused by electrical motor’s overheating, is the degrade of the insulating material’s properties and the reduce of its lifetime. Also, the increased total electromagnetic losses result in motor operating with lower efficiency. Other adverse effects of overheat is the change in geometry of motor’s parts, because of thermal expansion, and the degrade of the lubricant in the rotor bearings that causes increased friction losses and destruction of the bearings. As a result of these thermal issues and of the designing trend to make smaller and less expensive motors for a given power rating, the thermal analysis of electrical motors has become an important research field in electrical machine’s theory. To predict the temperature of the machine’s parts and optimize the design process, we try to model its thermal behavior using thermal models. There are two approaches that are commonly used to model the thermal phenomena taking place in electrical machines. The first one is a thermal model based in the lumped parameter theory and the second one is a thermal model based on finite element method (FEM). A lumped parameter thermal model can predict the mean temperature of machine’s part during, for both transient and steady state. The advantage of this modeling is that we describe the thermal system with an easy to understand way, through simple modeling equations. To extract these equations and build the thermal model, firstly we have to study the mechanisms of heat generation and heat transfer taking place in the specific thermodynamic system. The finite element method can solve thermal problems and provide an accurate function of the temperature distribution for the stationary and the rotating parts of electrical machine. This type of modeling is preferred when there is a wide range of temperature differences between the modeled parts. The main disadvantage of this method is that it requires the usage of special software packages to design the thermal model. Also, for the purpose of solving the thermal models for the transient thermal state we need enough computational resources. In the case of a small induction motor with low voltage rating, where the temperature differences are limited in a relative small range, using a lumped parameter thermal model that can easily provide a solution for the thermal problem is preferred. This study aims to design and calculate a lumped parameter model, for the case of a 4kW induction motor (TEFC design). We will calculate the thermal capacitances of the various machine’s parts and we will carry out experimental measurements to check the credibility of the lumped parameter model. The experiment includes measuring and recording of machine’s temperatures. from the time we start its operation, until thermal equilibrium. For the purpose of measuring machine’s temperature with thermocouples, we designed and construct a measuring device. 2016-10-17T08:45:45Z 2016-10-17T08:45:45Z 2016-07-06 Thesis http://hdl.handle.net/10889/9704 gr 0 application/pdf |
