CONTRIBUŢII PRIVIND ANALIZA ŞIold.unitbv.ro/Portals/48/specializari/doctorat/2014...Capitolul 1....

CONTRIBUŢII PRIVIND ANALIZA ŞI MODELAREA ZGOMOTULUI MOTOARELOR DE INDUCŢIE

TRIFAZATE

Teză de doctorat

Ing. Ciprian Gheorghe NISTORConducător științific: Prof. Dr. Ing. Gheorghe SCUTARU

5/12/2014

CONTRIBUȚII PRIVIND ANALIZA ŞI MODELAREA ZGOMOTULUI MOTOARELOR DE INDUCŢIE TRIFAZATE

CUPRINSCapitolul 1. Stadiul actual privind analiza zgomotului în cazul motoarelor de inducţie trifazate şi definirea mărimilor de bază utilizate

Capitolul 2. Modelarea zgomotului de natură magnetică utilizând programul FLUX 2D

Capitolul 3. Modelarea zgomotului de natură mecanică utilizând programul ANSYS 3D

Capitolul 4. Modelarea zgomotului şi vibraţiilor în cazul motoarelor de inducţie trifazate. Determinări experimentale

Capitolul 5. Analiza regimului termic al motoarelor asincrone trifazate

Capitolul 6. Concluzii generale şi contribuţii originale. Direcţii viitoare de cercetare

Capitolul 1. Stadiul actual privind analiza zgomotului în cazul motoarelor de inducţie trifazate şi definirea mărimilor de bază utilizate

Obiectivele Tezei de Doctorat

Definirea mărimilor de bază

I.E.C. 60034 (secţiunea a 9a) Nivelul maxim de putere acustică ponderată pentru motoarele de randament IE3

Sursele de zgomot în motoarele electrice


Capitolul 1. Stadiul actual privind analiza zgomotului în cazul motoarelor de inducţie trifazate şi definirea mărimilor de bază utilizate (continuare)

Obiectivele Tezei de Doctorat: - Realizarea unor modele de motoare de randament IE3 în bazele de date ale programelor studiate – FLUX 2D respectiv ANSYS 3D; - Analiza vibratorie (modală) termică şi acustică a celor două prototipuri pentru încadrarea în norma de randament IE3; - Realizarea unui mecanism de separare a zgomotelor emise de cele două motoare;- Întocmirea unei platforme hardware şi software cu costuri reduse care să permită, cu o bună precizie, determinarea nivelurilor de zgomot si vibraţii.

Definirea mărimilor de bază- caracterizarea vibrațiilor, clasificarea vibrațiilor, caracterizarea mărimilor: înălțime a sunetului, timbru, zgomot, undă de sunet, intensitate acustică, nivel de intensitate acustică, nivel de presiune acustică, nivel de putere acustică.



Nivelul maxim de putere acustică ponderată [LWA] prevăzut în standardul IEC 60034-9 pentru motoarele asincrone trifazate cu rotorul în scurtcircuit la funcţionare în gol pe diferite categorii de puteri.



Sursele de zgomot în motoarele electrice Electromagnetice; Mecanice; Aerodinamice;


Capitolul 2. Modelarea zgomotului de natură magnetică utilizând programul FLUX 2D

- Începând cu data de 1.01.2015, conform standardului IEC 60034 secţiunea 30, seimpune producerea motoarelor asincrone trifazate cu puteri mai mari de 7,5kW, numaiîn limtele de randament premium IE3 care reglementează în mod direct (partea a 9 a)șilimitele de zgomot emis.- S-au studiat două motoare asincrone trifazate de gabarit 160: MAL 160M - 7,5

kW/1000 rpm 3 perechi de poli respectiv MAL 160L - 11 kW/1000 rpm 3 perechide poli înfăşurări simplu strat, norma de randament IE3.


Capitolul 2. Modelarea zgomotului de natură magnetică (continuare)

- Modelarea zgomotului magnetic s-a facut considerând alimentarea motoarelor atât prin invertor cât şi de la reţea.

În analiza zgomotului magnetic se generează /calculează următorii parametrii:- Distribuţia inducţiei magnetice în secţiunea motorului;- Distribuţia liniilor de câmp magnetic în secţiune;- Valoarea şi graficul inducţiei magnetice în întrefier;- Nivelul continuu al presiunii acustice în funcţie de amplitudinea armonicilor,

respectiv nivelul de zgomot magnetic radiat în spectrul acustic.



- Relaţia de legătură dintre inducţia magnetică din întrefier şi forţa magnetică radială este dată de tensorul Maxwell, exprimată prin intermediul relaţiei:

în care

- componenta radială a inducţiei magnetice din întrefier;

- componenta tangentială a inducţiei magnetice din întrefier;

- permeabilitatea magnetică.

Câmpul magnetic învârtitor din întrefierul unui motor asincron este compus din undafundamentală a acestuia şi o serie de unde armonice (de amplitudine v ) suprapuse pesteaceasta.Considerând un motor asincron cu un număr p de perechi de poli expresia inducţieimagnetice în întrefier în funcţie de timp şi spaţiu este dată de următoarea expresie.



unde

- amplitudinea inducţiei magnetice a armonicii v;

- numărul de perechi de poli;

- frecvenţa unghiulară reprezentând orientarea în coordonata temporală a armonicii; - unghiul de fază al armonicii.



I. Analiza comparativă în cazul alimentării prin invertor la frecvenţa de 50 Hz şi direct de la reţea – Motor asincron trifazat de tip MAL 160M – 7,5kW/1000rpm

Distribuţia liniilor de câmp

Distribuţia inducţiei magnetice (în secţiune), Motor alimentat: a) prin invertor la frecvenţa de 50 Hz;

b) direct de la reţea.



I. Analiza comparativă în cazul alimentării prin invertor la frecvenţa de 50 Hz şi direct de la reţea – Motor asincron trifazat de tip MAL 160M – 7,5kW/1000rpm

Componenta normală a inducţiei magnetice în întrefier ; Nivelul continuu al presiunii acustice Motor alimentat: a) prin invertor la frecvenţa de 50 Hz;

b) direct de la reţea.



Nivelul de zgomot magnetic generat de cele două motoare analizate respectiv 7.5 kW/1000 rpm şi 11 kW/1000 rpm

Din punct de vedere practic reducerea zgomotului magnetic (reducerea armonicilor câmpului) se realizează prin următoarele metode:

- alegerea numărului optim de crestături statorice si rotorice;- alegerea unei scurtări corespunzătoare a pasului de înfăşurare;- înclinarea crestăturilor (la nivel de rotor).


Capitolul 3. Modelarea zgomotului de natură mecanică utilizând programul ANSYS 3D – Analiza modală

Analiza modală s-a efectuat pentru fiecare subansamblu în parte respectiv pentru tot motorul asamblat. Frecvenţele şi modurile de vibraţie obţinute au fost validate de partea experimentală efectuată prin metoda ciocanului de impact.

Frecvenţa de vibraţie pentru o maşină electrică la un mod oarecare m de vibraţie estedată de următoarea relaţie:

unde- este constanta elastică a suspensiei elastice [N/m];- masa maşinii [kg];

- acceleraţia gravitaţională (g = 9,81 m/s2);

- deformaţia statică [m].


Capitolul 3. Modelarea zgomotului de natură mecanică utilizând programul ANSYS 3D – Analiza modală (continuare)

Din punct de vedere practic, majoritatea sistemelor de monitorizare a vibraţiilortrasează carateristicile de vibraţie ca un grafic al deplasării suprafeţei monitorizate înfuncţie de timp. Stabilirea frecvenţei de vibraţie, în functie de aceste date, se face extrăgând termenul

din relaţia anterioară după cum urmează:

În cazul în care motorul funcţionează în sarcină la o turaţie n relaţia de calcul adeformaţiei este dată de următoarea relaţie:

în care:n – turaţia motorului;T – transmisibilitatea.


Capitolul 3. Modelarea zgomotului de natură mecanică utilizând programul ANSYS 3D – Analiza modală

I. Analiza modală pentru anasamblul carcasă – stator în cazul motorului de tip MAL 160L -11kW/1000 rpm

a) Rețeaua de elemente finite

Raportul rețelei de elemente finite


Capitolul 3. Modelarea zgomotului de natură mecanică (continuare)

b) Modurile şi frecvenţele proprii de vibraţie ale ansamblului carcasă - stator pentrumotorul MAL 160 L-11 kW/1000 rpm.



Modul 3 de vibrație Modul 6 de vibrație Modul 15 de vibrație 37,02 Hz 176,15 Hz 1056,89 Hz




Modurile şi frecvenţele proprii simulate pentru cele două motoare analizate

Motorul MAL 160M – 7,5 kW/1000 rpm Motorul MAL 160L – 11 kW/1000 rpm


Validarea rezultatelorPentru determinarea frecvenţelor de vibraţie, în cazul celor două motoare studiate s-a utilizat metoda ciocanului de impact.

Schema bloc a standului utilizat



Validarea rezultatelor

Accelerometru Bruel&Kjaer de tip 4507

Ciocan de impact de tip Bruel&Kjaer de tip 8206



Validarea rezultatelorAmplasarea accelerometrelor la nivelul anasamblului carcasă - stator în cazul motorului de tip MAL 160 L -11kW/1000 rpm.

- Răspunsurile în frecvenţă date de cele 3 accelerometre

Acc. 1 Acc. 2 Acc. 3


Frequency Response H1(Response 1, Force) (Magnitude)Modal : Input : Input : Modal FFT Analyzer 1

0 400 800 1.2k 1.6k 2k 2.4k 2.8k 3.2k

0

50m

100m

150m

200m

250m

300m

350m

400m

450m

500m

[Hz]

[(m/s²)/N]OVERLOAD


0 400 800 1.2k 1.6k 2k 2.4k 2.8k 3.2k

0

50m

100m

150m

200m

250m

300m

350m

400m

450m

500m

[Hz]

[(m/s²)/N]Frequency Response H1(Response 2, Force) (Magnitude)

Modal : Input : Input : Modal FFT Analyzer 1

0 400 800 1.2k 1.6k 2k 2.4k 2.8k 3.2k

0

50m

100m

150m

200m

250m

300m

350m

400m

450m

500m

[Hz]

[(m/s²)/N]OVERLOAD


0 400 800 1.2k 1.6k 2k 2.4k 2.8k 3.2k

0

50m

100m

150m

200m

250m

300m

350m

400m

450m

500m

[Hz]

[(m/s²)/N]Frequency Response H1(Response 3, Force) (Magnitude)

Modal : Input : Input : Modal FFT Analyzer 1

0 400 800 1.2k 1.6k 2k 2.4k 2.8k 3.2k

0

50m

100m

150m

200m

250m

300m

350m

400m

450m

500m

[Hz]

[(m/s²)/N]OVERLOAD


0 400 800 1.2k 1.6k 2k 2.4k 2.8k 3.2k

0

50m

100m

150m

200m

250m

300m

350m

400m

450m

500m

[Hz]

[(m/s²)/N]

Capitolul 3. Modelarea zgomotului de natură mecanică (continuare) Validarea rezultatelor

- Valorile comparative ale frecvenţelor de vibraţie determinate în acest caz:

- Modurile şi frecvenţele proprii determinate pentru cele două motoareMAL 160M MAL 160L


Capitolul 4. Măsurarea zgomotului şi vibraţiilor în cazul în cazul motoarelor de inducţie trifazate. Determinări experimentale

- Camera semianecoică a intreprinderii Electroprecizia Săcele

Cele două motoare au funcţionat în gol, iar modul de alimentare a fost direct de la reţea, dar şi prin convertor de frecvenţă trifazat (40 Hz, 50 Hz , 60 Hz).- Măsurătorile s-au efectuat prin intermediul unui sonometru Bruel&Kjaer de tip 2250


Capitolul 4. Măsurarea zgomotului şi vibraţiilor în cazul în cazul motoarelor de inducţie trifazate. Determinări experimentale (continuare)

Procedeul de separare a zgomotelor

I.Determinarea zgomotului mecanic+aerodinamic- Motorul este antrenat din exterior- fără ventilator montat - zgomotul măsurat este zgomotul de rulment;

- cu ventilatorul montat - zgomotul măsurat este cel mecanic (zgomot rulment+aerodinamic);II.Determinarea zgomotului magnetic - Motorul este alimentat direct fără ventilatorNivelul de zgomot măsurat în acest caz este dat de zgomotul magnetic + mecanic. Valoareanivelului de zgomot mecanic se cunoaşte, iar prin eliminarea acesteia rezultă nivelul de zgomotmagnetic.


Capitolul 4. Măsurarea zgomotului şi vibraţiilor în cazul în cazul motoarelor de inducţie trifazate. Determinări experimentale (continuare)

Rezultate experimentale obţinute în cazul celor două motoareMotor MAL 160 M – 7,5 kW/1000 rpm Motor MAL 160 L – 11 kW/1000 rpm

Nivelul total de zgomot maxim admis c.f I.E.C 60034 : 77 dB (50 Hz) şi 80 dB (60 Hz) Ponderea nivelelor caracteristice de zgomote

Motor7,5 kW

Motor11kW


69%

13%

18%

Zgomot magnetic

Zgomot mecanic

Zgomot aerodinamic

71%

12%

17%

Zgomot magnetic

Zgomot mecanic

Zgomot aerodinamic

Capitolul 4. Determinări experimentale (continuare) Prezentarea platformei integrate de analiză a zgomotelor şi vibraţiilor produse de

motoarele asincrone SV-100. Determinări comparative de zgomot pentru motoareleanalizate.

A. Componenta software Interfaţa de analiză a vibraţiilor


Capitolul 4. Determinări experimentale (continuare)

Interfaţa de analiză a vibraţiilor



Interfaţa de analiză a zgomotelor

B. Componenta harware – Analizorul Vibro M 100


Capitolul 4. Determinări experimentale (continuare) Niveluri de vibraţii măsurate pentru motorul de tip MAL 160 M la funcţionare în

gol alimentat prin invertor la frecvenţa de 40 Hz



Nivelele de zgomot total, prezentate în mod comparativ

Motor MAL 160M -7,5 kW/1000 rpm Motor MAL 160L -11 kW/1000 rpm


Capitolul 5. Analiza regimului termic al motoarelor de inducţie trifazate

Reţeaua termică a unui motor asincron trifazat de randament premium depinde, dinpunct de vedere structural, de cele trei moduri de transmitere a căldurii, respectiv,conducţie, convecţie şi radiaţie.Expresia generală de transmitere a căldurii prin conducţie într-un sistem de coordonateX,Y,Z este dată de următoarea relaţie:

respectiv unde

- căldura specifică a materialului;- fluxul termic;

- densitatea materialului;- conductivitate termică;- temperatura.



Ecuaţia transferului de căldură prin convecţie este dată de relaţia:

în care- temperatura suprafeţei; - temperatura într-un punct aflat la o distanţă faţă de suprafaţă; - coeficientul transferului termic.

Relaţia matematică prin intermediul căreia se poate exprima transferul net de căldurăprin radiaţie dintre două corpuri derivă din legea Stefan-Boltzmann şi reprezintă:

unde,- aria unei suprafeţe; - emisivitatea unei suprafeţe; - constanta Boltzmann



Modelul termic al unui motor asincron trifazat de randament IE3



Determinarea încalzirii prin termoviziune pentru cele două motoare analizate alimentate atât de la reţea cât şi prin invertor;

Motor MAL 160 M – Stare iniţială – Alimentare de la reţea (50 Hz)

Valorile temperaturilor obţinute la nivelul carcasei

Distribuţia temperaturii la nivelul carcasei



Determinarea încalzirii prin termoviziune pentru cele două motoare analizate alimentate atât de la reţea cât şi prin invertor;

Motor MAL 160 M – După 30 de minute – Alimentare de la reţea (50 Hz)

Valorile temperaturilor obţinute la nivelul carcasei

Distribuţia temperaturii la nivelul carcasei


Capitolul 6. Concluzii generale şi contribuţii originale. Direcţii viitoare de cercetare. Bibliografie

Contribuţii originale

I. Proiectarea unor modele noi de motoare (cu randament premium IE3) în cadrul programului de element finit FLUX 2D.

II. Analiza modală pe cale teoretică şi experimentală.

III. Analiza acustică a celor două motoare.

IV. Separarea zgomotelor pentru motoarele de randament premium studiate.

V. Analiza termică a motoarelor analizate.

VI. Creearea unui instrument de analiză a zgomotelor şi vibraţiilor - Platforma integrată de analiză a zgomotelor şi vibraţiilor produse de motoarele asincrone - SV-100 şi analizorul Vibro M-100.



Capitolul 6. Concluzii generale şi contribuţii originale valorificare. Direcţii viitoare de cercetare. Bibliografie

Lista lucrărilor publicate

1. Nistor, C., Ghe., Pleşa, O.I., Scutaru, Ghe., Peter, I., Ionescu, R.M., „Numerical modelling of magnetic noise for three phase asyncronous motors through the software Flux 2D” Analele Universitatii din Craiova– Seria Inginerie Electrică, Craiova, 2012.

2. Nistor, C., Ghe.,”Sistem de recuperare a energiei câmpului electromagnetic emis de un telefon mobil” Revista“ Creativitate şi inventică”, ISSN 2067 – 3086, Vol. 1, Braşov, 2012.

3. Nistor, C., Ghe., Scutaru, Ghe., Peter, I.,“ Determination of magnetic noise for a 7.5 kW three-phase induction motor fed directly from the grid ” Proceedings of “14th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment”, Braşov, 2014.

4. Nistor, C., Ghe., “Analysis of noise and heating for three-phase induction motor fed by inverter”Proceedings of “14th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment”, Braşov, 2014.

5. Peter, I., Scutaru, Ghe., Nistor, C., Ghe., “ Manufacturing of asynchronous motors with squirrel cage rotor, included in the premium efficiency category IE3, at S.C. Electroprecizia Electrical-Motors S.R.L. Săcele,” Proceedings of “14th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment”, Braşov, 2014.

6. Negoiţă, A., Scutaru, Ghe., Peter, I., Ionescu, R.M., Pleşa, O., I., Nistor, C., Ghe., “Numerical modeling and experimental analysis of the magnetic noise of the single-phase, inverter fed permanent split-capacitor motor,” Proceedings of “13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment”, pp.600-605, Braşov, 2012.

Capitolul 6. Concluzii generale şi contribuţii originale valorificare. Direcţii viitoare de cercetare. Bibliografie

Lista lucrărilor publicate

7. Negoiţă, A., Scutaru, Ghe., Peter, I., Ionescu, R.M., Pleşa, O., I.,Nistor, C., Ghe.,“Influence of rotor static eccentricity on the noise level of a single phase squirrel cage induction motor,” Proceedings of “13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment”, pp. 373-378, Braşov, 2012.

8. Ionescu, R.,M., Scutaru, Ghe., Peter, I., Motoaşcă, S., Negoiţă, A., Pleşa O.I., Nistor, C., Ghe. “The Influence of the Winding Type on the Noise Level of Two-Speed Three-Phase Induction Motors”,Proceedings of “13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment” pp.698-705, Braşov, 2012.



Va mulţumesc pentru atenţia acordată!

Doctorand: Ing. Nistor Ciprian GheorgheConducător Ştiinţific: Prof. Dr. Ing. Scutaru Gheorghe

CONTRIBUŢII PRIVIND ANALIZA ŞIold.unitbv.ro/Portals/48/specializari/doctorat/2014...Capitolul 1....

Documents

Transcript of CONTRIBUŢII PRIVIND ANALIZA ŞIold.unitbv.ro/Portals/48/specializari/doctorat/2014...Capitolul 1....