Пускові режими асинхронних електроприводів з властивостями джерела моменту і з системами обмеження пускових струмів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук україни

Інститут електродинаміки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Пускові режими асинхронних електроприводів з властивостями джерела моменту і з системами обмеження пускових струмів

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

КРАСНОШАПКА Наталія Дмитрівна

Київ-2006

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

асинхронний двигун струмовий феромагнітний

Вступ. Однією з найважливіших задач, що стоять перед економікою України, є технічне переоснащення сфери виробництва з метою підвищення конкурентної здатності вироблюваної продукції. Для вирішення цієї задачі необхідно разом з підвищенням якості продукції мінімізувати витрати на її виробництво. З огляду на те, що при існуючих технологіях енергоспоживання в Україні істотно перевищує частку енергетичних витрат в продукції провідних країн світу, модернізацію виробництва в Україні слід здійснювати з максимальним використовуванням енергозберігаючих технологій. Зниження енергоспоживання в Україні навіть при збільшенні об'ємів виробництва дозволить скоротити енергозалежність держави від зовнішніх енергоресурсів. Повсюдне застосування в сферах матеріального виробництва і господарської діяльності людини електроприводних пристроїв і об'єми споживаної ними електричної енергії (приблизно дві третини всієї електроенергії, що виробляється, перетворюється в механічну роботу) роблять особливо важливою проблему підвищення енергетичних характеристик електроприводів в сталих і динамічних режимах роботи. Особливо велика в загальному балансі частка електроприводних пристроїв з асинхронними двигунами, енергетичні показники яких в динамічних режимах роботи невисокі. Пускові процеси, що протікають в асинхронних електроприводах, потужність яких порівняна з потужністю енергосистеми, додатково вимагають вживання заходів по обмеженню пускових струмів, що у свою чергу, негативно впливає на їх динамічні властивості і характеристики енергоспоживання. Із цих причин для асинхронних електроприводів, що працюють з частими пусками і реверсами, необхідний пошук шляхів підвищення енергетичних показників асинхронних двигунів (АД) в динамічних режимах роботи.

Актуальність теми. Покращення пускових властивостей АД і підвищення їх енергетичних показників в динамічних режимах роботи базуються на розробці ефективних конструкцій двигунів або створенні електротехнічних комплексів на основі серійних двигунів з перетворювачами параметрів електричної енергії.

Перспективним шляхом покращення динамічних властивостей асинхронних електроприводів з прямим пуском і підвищення їх енергетичної ефективності є формування у АД властивостей джерела моменту. Даний підхід успішно впроваджується в АД з фазним ротором на базі схемотехнічних рішень, які реалізують властивості джерела струму в роторному контурі. Для АД з короткозамкненим ротором одним із способів формування властивостей джерела моменту в пускових режимах є феромагнітне екранування фрагментів короткозамкненої роторної обмотки. При частотному пуску АД звичайної конструкції властивості джерела моменту реалізуються управлінням частотою і напругою перетворювача за певним алгоритмом. Обґрунтування доцільності застосування того чи іншого технічного рішення, спроможного покращити динамічні і енергетичні показники пускових режимів асинхронного електропривода, базується на їх порівняльній оцінці.

Таким чином, дослідження і порівняльна оцінка динамічних властивостей і енергетичних характеристик асинхронних електроприводів при прямому пуску і пуску у складі електротехнічних комплексів з обмеженням пускових струмів і струмово-частотним управлінням, а також вироблення рекомендацій по синтезу конструкцій короткозамкненого ротора АД, особливостям розрахунку його параметрів і формуванню закону управління частотою перетворювача при струмово-частотному управлінні є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлена дисертація є результатом науково-дослідних робіт, які виконані в Інституті електродинаміки НАН України у відповідності з планами НДР НАН України за темами: “Розробити математичні моделі, принципи управління асинхронною машиною і силові структури нових типів електроприводів з керованим моментом, створити програмно-алгоритмічні засоби моделювання і дослідження перетворювачів для таких систем” (шифр 1.7.3.54 “Момент-П”, затверджена рішенням Вченої ради ІЕД АН України від 27.12.1990 р., протокол № 17, № ДР 01.91.0006202), де здобувачем було виконано математичне моделювання асинхронного електропривода з індуктивно-ємнісним перетворювачем; “Розвинути теорію, створити методи розрахунку і оптимізації струмових електромеханічних систем на основі електричних машин змінного струму, розробити способи управління координатами електроприводів з джерелами струму в силових ланцюгах” (шифр 1.7.3.112 “Момент-2П”, затверджена рішенням Вченої ради ІЕД НАН України від 18.11.1993 р., протокол № 7, № ДР 0194U017016), де здобувачем виконано дослідження і математичне моделювання статичних і динамічних характеристик електроприводів при живленні від джерела струму постійної і змінної частоти; “Розробити теоретичні основи струмово-частотного управління електроприводами з безконтактними двигунами змінного струму, створити напівпровідникові перетворювачі для регулювання координат цих електроприводів” (шифр 1.7.3.149 “Координата”, затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 5.12.1996 р., протокол № 9, № ДР 0197U009067), де здобувачем виконано математичне моделювання і дослідження електромеханічних процесів в електроприводах з струмово-частотним управлінням; “Розробити теоретичні основи створення енерго- і ресурсозберігаючих автоматизованих електротехнічних комплексів на базі спеціалізованих регульованих електроприводів і напівпровідникових перетворювачів” (шифр 1.7.3.189 “Координата-2”, затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 26.04.2001 р., протокол № 5, № ДР 0101U000748), де здобувачем виконано математичне моделювання і досліджено режими роботи асинхронного двигуна в складі системи автоматичного регулювання технологічних процесів.

Мета і задачі наукових досліджень. Метою роботи є підвищення енергетичної ефективності пускових режимів асинхронних електроприводів на базі технічних рішень формування властивостей джерела моменту у АД з короткозамкненим ротором.

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі задачі:

- розробка методики визначення еквівалентних параметрів, що вносяться в роторний контур АД торцевими феромагнітними екранами фрагментів короткозамкненої роторної обмотки;

- розробка математичних моделей і порівняльний аналіз енергетичних характеристик пуску асинхронного електропривода на базі двигунів з короткозамкненою роторною обмоткою (серійного виконання і з торцевим феромагнітним екрануванням фрагментів короткозамкненої роторної обмотки) при різних системах живлення;

- аналіз властивостей АД при струмово-частотному управлінні і синтез закону управління частотою джерела струму в процесі пуску АД при струмово-частотному управлінні;

- розробка математичної моделі пуску АД з системою струмово-частотного управління і аналіз енергетичних характеристик пуску асинхронного електропривода із струмово-частотним управлінням.

Об'єктом дослідження є процес пуску асинхронного електропривода з двигунами різних конструкцій при різних системах живлення.

Предметом дослідження є енергетичні характеристики і динамічні властивості в процесі пуску асинхронних електроприводів з властивостями джерела моменту і з системами обмеження пускових струмів.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених у роботі задач використовувались методи математичної теорії узагальнених електромеханічних перетворювачів енергії, теорії електромагнітного поля, аналізу нелінійних магнітних ланцюгів, теорії планування експерименту, чисельні методи розв'язання диференціальних рівнянь, математичне моделювання електромеханічних систем.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вдосконалено модель розрахунку еквівалентних параметрів, що вносяться в роторний контур феромагнітними масивами стосовно торцевої конструкції екранів, яка, на відміну від відомих, враховує як непостійність напруженості магнітного поля на їх внутрішніх поверхнях, так і змінну величину магнітної проникності в масиві екрану;

- вперше розроблено математичні моделі процесу пуску електропривода з АД з торцевими феромагнітними екранами при живленні від джерела з постійним рівнем напруги при обмеженні струмів статора і від джерела струму постійної частоти;

- виявлено раніше невідому можливість використання рівня величини фазної напруги АД як управляючого чинника частотного пуску АД при живленні від джерела струму регульованої частоти;

- вперше сформульовано закон зміни частоти перетворювача при струмово-частотному управлінні пуском, який забезпечує розгін ротора АД з постійним ковзанням при максимально можливій величині електромагнітного моменту.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблені математичні моделі і складені на їх основі програми розрахунків пускових режимів АД за різних умов живлення з обмеженням струмів статора використані при розрахунках режимів роботи систем дозування хімреагентів із струмово-частотним управлінням виконавчим асинхронним двигуном за договором № 902-01 з Державним комітетом України з енергозбереження. Дані системи впроваджені в дослідну експлуатацію на підприємствах АК “Київенерго” і Черкаської ТЕЦ;

- розроблені математичні моделі і програми розрахунків пускових режимів використані при створенні серії електроприводів із струмово-частотним управлінням потужністю 0,75-4,0 кВт типу ЕТР відповідно до п. 10.6 “Національної програми виробництва технологічних комплексів машин і устаткування для сільського господарства, харчової і переробної промисловості і промисловості будівельних матеріалів”;

- результати розрахунків режиму пуску АД від джерела напруги з системою обмеження пускових струмів на базі напівпровідникових пускачів використані при розробці технічного завдання на пускові пристрої типу РЕНАП (ТОВ “НТФ “ТЕМС”);

- рекомендації по особливостях проектування АД з торцевими феромагнітними екранами фрагментів короткозамкненої роторної обмотки можуть бути використані конструкторськими бюро і виробничими підприємствами при розробці і виготовленні асинхронних електроприводів з високими показниками енергоефективності в пускових режимах.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати, викладені в дисертації, одержані автором особисто. У наукових працях, які опубліковані в співавторстві, здобувачеві належить: в [1] - розробка математичної моделі і програм розрахунку статичних і динамічних характеристик асинхронного електропривода при живленні від джерела струму; в [2] - розробка алгоритму і програми розрахунку еквівалентних параметрів; в [3] - математичне моделювання електромагнітних процесів; в [5] - розроблена математична модель і проведені розрахунки динамічних властивостей асинхронного електропривода системи дозування; в [6] - проведені розрахунки параметрів елементів привода, виконана оцінка динамічних властивостей в пускових режимах; в [7] - виконано обґрунтовування конструктивних особливостей виконання торцевих феромагнітних екранів; в [8] - розрахункове обґрунтовування ефективності технічного рішення.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що ввійшли в дисертацію, доповідались і обговорювались на Міжнародній науково-практичній конференції “Ефективність систем електроенергетики ЕСЕ 96” (Київ, 1996 р.); ІХ Міжнародній конференції “Ресурсоенергозбереження в ринкових відносинах” (Ялта, 2002 р.); науково-технічних конференціях “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (Алушта, 1995 р. і 1997 р.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 друкованих праць, з яких 6 статей у фахових наукових виданнях, 3 тези доповідей на науково-технічних конференціях, 2 патенти України, 1 препринт і 1 стаття в інформаційно-аналітичному виданні.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи становить 223 сторінки, в тому числі 181 сторінка основного тексту, 77 рисунків, 9 таблиць, список використаних джерел із 108 найменувань та 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі наукового дослідження, викладено сутність і стан розв'язуваної наукової задачі, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення і реалізацію результатів дисертаційних досліджень, наведено дані про їх апробацію, публікацію та впровадження.

У першому розділі проведено аналіз пускових властивостей асинхронних електроприводів. Встановлено, що покращення їх пускових характеристик може бути досягнуто застосуванням асинхронних двигунів, які мають механічні характеристики “екскаваторного” типу, що надає електроприводу властивість джерела моменту. Як свідчить аналіз літературних джерел, потрібного виду механічної характеристики АД можна досягти застосуванням спеціальної конструкції ротора двигуна, а при використанні АД з фазним ротором - веденням в роторне коло джерела струму. В електроприводах з АД з короткозамкненим ротором при живленні від перетворювача частоти формування властивостей джерела моменту в пускових режимах здійснюється алгоритмами управління перетворювачем.

В розділі розглянуто основні способи формування властивостей джерела моменту в асинхронних електроприводах шляхом використання масивних, двошарових (маломагнітних) роторів і роторів з частотно-залежними індукційними опорами в колі короткозамкненої обмотки. Досягнення високих енергетичних показників в сталих режимах роботи у сукупності з потрібними пусковими властивостями можна досягти в конструкціях АД з частотно-залежними параметрами роторного кола за рахунок феромагнітного екранування фрагментів короткозамкненої обмотки поза робочим повітряним зазором. Найбільш відомою є конструкція з тонкостінною феромагнітною гільзою на подовженій частині ротора, яка вносить в роторний контур додаткові активно-індуктивні опори, величина яких залежить від величини енергії, що поглинається гільзою. Внаслідок ефекту відбиття електромагнітної хвилі від зовнішньої поверхні тонкостінної феромагнітної гільзи розрахунок еквівалентних параметрів, які вносяться в роторний контур, потребує розрахунку активної і реактивної складових вектора Умова-Пойнтінга, що характеризує питому електромагнітну потужність, яка поглинається гільзою.

Проаналізовано особливості перетворення енергії в електроприводах з властивостями джерела моменту на базі асинхронних двигунів з фазним ротором при застосуванні різних схемних реалізацій джерел струму в колі ротора, як з втратою так і з рекуперацією потужності ковзання.

Розглянуто особливості побудови електроприводів при живленні статора АД з короткозамкненим ротором від джерел струму змінної частоти (струмово-частотне управління) на базі інверторів струму і інверторів напруги.

В другому розділі запропоновано конструкцію ротора АД з двостороннім торцевим феромагнітним екрануванням подовжених стрижнів та короткозамикаючих кілець поза робочим повітряним зазором (рис. 1), де 1 - статорна обмотка, 2 - стрижень роторної обмотки, 3 - короткозамикаюче кільце, 4 - феромагнітні дискові екрани, 5 - магнітопровод ротора АД. Така конструкція ротора забезпечує введення в коло короткозамкненої обмотки частотно-залежних додаткових активно-індуктивних опорів r_е і x_е. На основі відомих схем заміщення АД отримано співвідношення для визначення активної і реактивної складових струмів статора і електромагнітного моменту АД з торцевими екранами:

Внаслідок того, що напруженість магнітного поля та магнітна проникність на внутрішніх поверхнях торцевих екранів змінюється в залежності від струму стрижнів ротора та розрахункового радіусу струмового шару, для визначення величин еквівалентних активного та індуктивного опорів була застосована розрахункова модель рис. 2, в якій в межах струмового шару на розрахунковому радіусі R_i значення H_i і м_i на внутрішніх поверхнях торцевих екранів визначаються виразами:

При поточних значеннях H_i і м_i величини активної і реактивної складових потужності, що поглинається i-ми кільцевими шарами внутрішнього і зовнішнього екранів, визначаються (4):

Повні активна і реактивна потужності, які поглинаються екранами визначаються як і .

Коефіцієнти K₁ і K₂ враховують співвідношення осьової товщини екрана і глибини проникнення електромагнітної хвилі в масив і визначаються виразами

де

- відношення половини осьової товщини феромагнітного екрана l до еквівалентної глибини проникнення в масив електромагнітної хвилі д_е; - електрична провідність сталі.

Враховуючи вирази (4), отримані співвідношення для розрахунку активного і реактивного опорів торцевих екранів (6)

Магнітна проникність феромагнітного масиву екрана є функцією струму ротора, який залежить від величини ковзання, тому при розрахунках еквівалентних параметрів феромагнітних екранів в процесі пуску АД необхідно застосовувати ітераційну процедуру, при якій на першому кроці при даному ковзанні задаються значення струму ротора при нульових величинах еквівалентних опорів з подальшим уточненням струму і визначенням значень опорів.

Виконаний аналіз дозволив визначити суттєву залежність величини активного і реактивного еквівалентних опорів від геометричних розмірів екранів. Якщо осьова товщина екрана при даній частоті струмів ротора в 1,5...2 і більше разів перевищує глибину проникнення електромагнітної хвилі в феромагнітний масив, то значення коефіцієнтів K₁ і K₂ в співвідношеннях (5) збігаються до 1 і активний та індуктивний опори змінюються пропорційно зміні магнітної проникності. При менших значеннях величина коефіцієнта K₁ суттєво менше K₂, що свідчить про присутність ефекту відбиття електромагнітної хвилі від зовнішніх поверхонь екранів, і обумовлює зниження активної потужності, яка поглинається феромагнітними масивами екранів. З цієї причини при проектуванні торцевих екранів, що забезпечують найкращі пускові властивості АД, слід вибирати таку їх мінімальну осьову товщину, яка забезпечує в початковий момент пуску повне поглинання електромагнітної хвилі. Необхідні значення еквівалентних опорів при цій умові забезпечуються вибором радіальних розмірів торцевих екранів. Для забезпечення механічної характеристики АД “екскаваторного” типу з необхідними значеннями пускового моменту і бажаними значеннями номінального і критичного ковзання був запропонований критерій визначення геометричних розмірів екранів М_п (l_о,h_р) = М_{п макс} при накладанні обмежень на жорсткість механічної характеристики в області малих значень ковзання: М₁(l_o, h_р, s₁) ? М₁, М₂(l_o, h_р, s₂) ?М₂, де М₁ і М₂ - потрібні моменти АД при номінальному ковзанні (s₁) і критичному (s₂) відповідно, а h_р і l_о - радіальна висота і осьова товщина екранів.

Внаслідок того, що обмеження завдані нерівностями та нелінійної залежності моментів від геометричних розмірів екранів і ковзання сформульована задача розв'язується методами нелінійного програмування.

В третьому розділі на базі відомої розрахункової схеми заміщення АД при живленні від джерела струму постійної частоти з урахуванням явища насичення магнітопровода статора АД при малих значеннях ковзання були розраховані механічні характеристики двигуна 4А160S2У3 при різних значеннях струму джерела струму, які свідчать, що пуск асинхронного електропривода з цим двигуном при вентиляторному характері моменту навантаження (М = М_н( /_н)²) можливий лише при струмах джерела струму не менших 2,5І_н. Застосування в конструкції АД торцевих екранів доцільних розмірів дозволяє при живленні від джерела струму збільшити величину моменту в діапазоні ковзання 1 ? s > s_кр, що забезпечує можливість пуску асинхронного електропривода при тому ж характері навантаження при струмах джерела струму в 1,5 рази менших, ніж з серійним двигуном. В розділі також було проаналізовано вплив на механічні характеристики серійного і модифікованого (з торцевими феромагнітними екранами) АД обмеження струму статора на різних рівнях при живленні двигунів від джерела напруги. Розрахунки при обмеженні струмів статора на рівні 3-, 4- і 5-ти кратних І_н свідчать, що середня величина моменту модифікованого двигуна в діапазоні ковзання 1 ? s > s_н в 1,84, 1,72 і 1,48 рази відповідно перевищує середню величину моменту серійного АД.

Механічні характеристики двигуна при живленні від джерела струму змінної частоти мають постійну жорсткість механічної характеристики при s < s_кр і постійну величину максимального моменту. Для АД 4А160S2У3 при живленні від джерела струму пусковий момент, який дорівнює максимальному при даному струмі, досягається при частоті джерела 2 Гц . Розрахунками встановлено, що при зменшенні ковзання фазна напруга на статорі АД монотонно збільшується. Значення фазної напруги при досягненні максимуму моменту в залежності від частоти змінюється за законом, близьким до лінійного .

Це дозволило використати рівень фазної напруги як фактор управління частотою перетворювача частоти з властивостями джерела струму в процесі пуску. При такому управлінні при зміні швидкості обертання ротора величина електромагнітного моменту двигуна в процесі пуску залишається майже постійною. Для двигуна 4А160S2У3 отримані залежності моменту і абсолютного ковзання в залежності від частоти обертання ротора при законах управління частотою (1) і (2), які наведені на рис. 6. Таким чином, електроприводу забезпечується властивість джерела моменту в процесі пуску. Зміна частоти пропорційно рівню зміні фазної напруги за визначеним законом забезпечує постійність величини абсолютного ковзання s_е. Управління частотою джерела струму за рівнем фазної напруги АД дозволяє реалізувати частотний пуск асинхронного електропривода з максимальною величиною електромагнітного моменту і ковзанням, близьким до критичного без використання датчиків моменту або ковзання.

В четвертому розділі проведено оцінку адекватності розрахунку пускових властивостей асинхронного електропривода з різними характерами моменту навантаження і різними значеннями моменту інерції електропривода J_У по динамічній моделі і статичній механічній характеристиці АД. В якості динамічної моделі застосовувалась відома математична модель АД в б, в-координатах (7), в якій L₁, L?₂ і L₀ - власні і взаємна індуктивності статорного і роторного контурів відповідно:

Відомо, що невраховування електромагнітних перехідних процесів в статорному і роторному колах АД, коли розрахунок пускових режимів проводиться по статичній механічній характеристиці двигуна, приводить до певних похибок, які тим більші, чим менший момент інерції електропривода. Для уникнення цих похибок при розрахунках по статичній моделі в роботі було здійснено коригування значення моменту по статичній характеристиці із застосуванням коефіцієнту динамічності для поточного значення швидкості: М_дин=К_ММ_ст(s)-М_с(s). Значення коефіцієнта K_M розраховувалось за умови однакового часу пуску при визначенні його по динамічній і статичній моделям. Для двигуна 4А160S2У3 значення коефіцієнта K_M при постійному (номінальному) моменті навантаження в залежності від величини сумарного моменту інерції електропривода змінюється від 0,875 (при J_У= J_дв) до 0,982 (при J_У=4 J_дв), а при вентиляторному характері моменту навантаження від 0,843 (при J_У= J_дв) до 0,883 (при J_У=4 J_дв). Аналіз процесу прямого пуску електропривода з АД, що має торцеві екрани в роторному контурі, здійснювався за математичною моделлю (7) з розрахунком еквівалентних параметрів торцевих екранів за методикою, розробленій в другому розділі. Алгоритм розрахунку передбачав попереднє визначення масиву значень активного і реактивного еквівалентних опорів в залежності від значення струму ротора. Динамічні і енергетичні показники процесу прямого пуску електропривода з моментом інерції J_У=4 J_дв при використанні серійного і модифікованого двигунів наведені в табл. 1,

В розділі розраховано і проаналізовано перехідні процеси пуску електропривода з серійним і модифікованим АД при живленні від джерела струму. Для серійного АД розрахунки здійснювались за розробленою математичною моделлю в б, в-координатах з врахуванням зміни індуктивності контуру намагнічування внаслідок насичення:

Для асинхронного електропривода з модифікованим двигуном розрахунок процесу пуску здійснювався по статичній механічній характеристиці двигуна з врахуванням величини насичення магнітопровода статора і корекцією величини моменту за допомогою коефіцієнта K_M.

Також розраховано і проаналізовано процеси пуску електропривода від джерела напруги з обмеженням струмів статора на рівнях 3I_н, 4I_н і 5I_н, коли застосовувався серійний двигун і двигун з торцевими екранами в роторному контурі. Розрахунки здійснювались за скорегованими статичними механічними характеристиками двигунів.

Для оцінки динамічних властивостей та енергетичних характеристик частотного пуску електропривода при живленні від джерела струму з струмом статора АД 2I_н, моментом інерції J_У=4 J_дв і управлінні частотою перетворювача за законом f = -0,08+0,986U₁ в діапазоні від 2 до 50 Гц проведено розрахунки режиму пуску з моментами навантаження М_с = М_н і М_с = М_н ( /_н)². Розрахунки здійснювались за скорегованою статичною механічною характеристикою двигуна 4А160S2У3 з визначенням величини фазної напруги в залежності від поточного значення ковзання. Результати розрахунку наведені в табл. 3. В чисельнику для порівняння наведено параметри при прямому пуску електропривода.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача покращення енергетичних показників і динамічних властивостей асинхронних електроприводів в пускових режимах шляхом формування у асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором властивостей джерела моменту, що є основою підвищення енергетичної ефективності електротехнічних комплексів на їх основі, які працюють з частими пусками і реверсами, отримані нові науково обґрунтовані теоретичні і практичні результати, які є суттєвими для побудови таких систем.

1. Проведений аналіз енергетичних характеристик прямого пуску асинхронних електроприводів показав, що зменшення енергоспоживання при пуску можна добитися формуванням у них властивостей джерела моменту в пускових режимах шляхом схемотехнічних рішень або конструктивних модифікацій короткозамкненого ротора асинхронного двигуна, що забезпечують йому механічну характеристику “екскаваторного” типу.

2. Формування механічної характеристики “екскаваторного” типу із заданою величиною максимального моменту за рахунок феромагнітного екранування фрагментів короткозамкненої обмотки ротора АД поза робочим повітряним зазором дозволяє знизити споживання електроенергії при пуску з постійним (номінальним) моментом навантаження в 3,65 рази, а при вентиляторному характері навантаження - 1,73 рази (порівняно з показниками прямого пуску електропривода із звичайним АД), що обумовлено зменшенням втрат в обмотках двигуна внаслідок дії по обмеженню струмів еквівалентних опорів торцевих екранів і зменшення часу пуску внаслідок збільшення середнього за час пуску моменту двигуна. Зниження пускових втрат дає можливість збільшити допустимий момент інерції привода або збільшити число пусків за годину.

3. Запропоновано методику розрахунку еквівалентних активного і індуктивного опорів, що вносяться в роторний контур феромагнітними торцевими екранами ділянок стрижнів і короткозамикаючих кілець роторної обмотки АД, що базується на розрахунку активної і реактивної складових вектора Умова-Пойнтінга, яка дозволяє визначити їх величини у функції геометричних розмірів екранів при змінній величині магнітної проникності сталевого масиву і непостійності напруженості магнітного поля на внутрішніх поверхнях екранів.

4. Розроблено методику розрахунку геометричних розмірів торцевих феромагнітних екранів, яка заснована на пошуку максимальної величини пускового моменту при певних їх геометричних розмірах М_п(l_o, h_р) = М_{п макс} при одночасному виконанні обмежень на необхідну жорсткість механічної характеристики в області малих ковзань М₁(l_o, h_р, s₁) ? М_н і М₂(l_o, h_р, s₂) ? л_максМ_н.

5. Встановлено, що в процесі пуску електропривода при живленні АД від джерела струму постійної частоти або від джерела напруги з обмеженням струму статора в процесі пуску, значно зменшується середнє значення повної потужності, споживаної від мережі, але при цьому істотно зменшується пусковий момент, що зумовлює доцільність застосування таких режимів живлення лише в електроприводах з механізмами, що мають вентиляторний характер моменту опору.

Застосування в електроприводі з обмеженням струму АД з торцевими екранами в роторному контурі дозволяє в процесі пуску знизити втрати енергії в 1,8 рази і підвищити ККД приблизно в 1,6 рази по відношенню до застосування АД звичайної конструкції.

6.  Аналіз характеру зміни напруги на статорі АД, що живиться від джерела струму регульованої частоти, показав, що при довільній частоті і даній кратності струму статора із зменшенням ковзання в діапазоні s_кр ? s > 0 величина фазної напруги статора АД монотонно зростає, що дозволяє використовувати цю напругу як фактор, що задає частоту джерела струму при частотному пуску АД.

7. Пуск електропривода з АД звичайної конструкції від перетворювача із струмово-частотним управлінням при заданій кратності струму статора, коли частота перетворювача змінюється за синтезованим законом, який є найбільш ефективним з точки зору енергозбереження. Розрахунки енергетичних показників пуску асинхронного електропривода з двигуном 4А160S2У3 при J_У = 4J_дв, I₁=2I_н і постійному (номінальному) моменті навантаження, у разі управління частотою перетворювача за законом f = -0,08 + 0,986U₁ показали, що має місце зменшення середніх втрат в обмотках АД в 9,53 рази, зниження середньої величини повної потужності, споживаної з мережі, в 5,16 рази, підвищення ККД пуску в 11,8 рази до значення 0,6 і середнього значення коефіцієнта потужності - в 1,25 рази до значення 0,58.

8. За сукупністю результатів досліджень можна зробити висновок про доцільність застосування АД з торцевим феромагнітним екрануванням елементів роторної обмотки в нерегульованих електроприводах з частими пусками або великими моментами інерції як при безпосередньому живленні від мережі змінного струму, так і з системами обмеження струму в пускових режимах.

В регульованих електроприводах з частотним пуском доцільно використовувати струмово-частотне управління із завданням темпу зростання частоти за рівнем фазної напруги обмотки статора АД в процесі пуску електропривода. При узгодженні темпу зростання частоти джерела струму з рівнем зміни напруги на статорі в процесі частотного пуску АД можна забезпечити розгін електропривода з бажаною постійною величиною електромагнітного моменту М_с < М ? М_макс (з постійною величиною абсолютного ковзання) при заданій кратності струму без використовування датчиків моменту або ковзання в структурі електропривода.

9. Розроблені математичні моделі і складені на їх основі програми розрахунків пускових режимів асинхронних електроприводів за різних умов живлення з обмеженням статорних струмів АД використано при розробці систем дозування хімреагентів за договором з Державним комітетом України з енергозбереження; при створенні серії електроприводів із струмово-частотним управлінням потужністю 0,75-4,0 кВт відповідно до п. 10.6 “Національної програми виробництва технологічних комплексів машин і устаткування для сільського господарства, харчової і переробної промисловості і промисловості будівельних матеріалів”; пускових пристроїв типу РЕНАП (ТОВ “НТФ “ТЕМС”).

10. Обґрунтованість та вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена використанням коректних методів досліджень і припущень при математичному описі процесів і підтверджена узгодженням результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними і раніше відомими даними з літературних джерел.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Исаков В.Н., Войтех В.А., Красношапка Н.Д. Характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при питании от источника тока регулируемой частоты // Техн. электродинамика. - 1992. - № 6. - С. 55-60.

2. Борисенко В.Е., Красношапка Н.Д. Алгоритм расчета рабочих и пусковых характеристик асинхронного двигателя с частотно-зависимыми параметрами ротора //Тр. Научного центра Военно-воздушных сил. - 1997. - Вып. 1. - С. 183-186.

3. Исаков В.Н., Войтех В.А., Красношапка Н.Д., Исаков Г.В. Токово-частотное управление асинхронными двигателями малой и средней мощностей // Техн. електродинаміка. - 1999. - № 2. - С. 14-17.

4. Красношапка Н.Д. Особенности определения параметров динамической модели асинхронного двигателя с ферромагнитными экранами частей короткозамкнутой роторной обмотки // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електротехніка. - 1999. - С. 98-104.

5. Исаков В.Н., Исаков Г.В., Красношапка Н.Д., Исаков А.Н. Автоматизированная система непрерывно-поточного дозирования на базе регулируемого электропривода и тензометрического весового корректора // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електродинаміка. - 2001. - С. 77-80.

6. Исаков В.Н., Акинин К.П., Плугатарь А.П., Исаков Г.В., Красношапка Н.Д. Автоматизированные электромеханические системы на базе частотно-регулируемых электроприводов - эффективное средство повышения маневренности энергоблоков и сбережения энергоресурсов // Промелектро - 2003. - № 3. - С. 37-43.

7. Патент на винахід 20912 Україна, МПК 7 H02Р7/44. Електропривод змінного струму / К.П. Акинін, В.О. Войтех, І.В. Волков, В.М. Ісаков, Н.Д. Красношапка, О.П. Плугатар, В.П. Стяжкін - № 96062292; Заявлено 11.06.96; Опубл. 17.09.2001. - Бюл. № 8. - 2 с.

8. Патент на корисну модель 530 Україна, МПК 6 Н02К17/16. Асинхронний двигун з торцевими дисковими феромагнітними екранами фрагментів роторного контуру / В.Є. Борисенко, Н.Д. Красношапка. - № 99063253; Заявлено 11.06.99; Опубл. 15.09.2000 р. - Бюл. № 4. - 1 с.

АНОТАЦІЇ

Красношапка Н.Д. Пускові режими асинхронних електроприводів з властивостями джерела моменту і з системами обмеження пускових струмів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, 2006.

Дисертація присвячена вирішенню задачі покращення динамічних і енергетичних показників пускових режимів роботи електропривода при застосуванні асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором шляхом формування властивостей джерела моменту в пускових режимах.

Досліджено різновид асинхронного двигуна, властивість джерела моменту в якому досягнута за рахунок використання торцевих феромагнітних екранів фрагментів короткозамкненої роторної обмотки поза робочим повітряним зазором. Запропоновано методики розрахунку параметрів, що вносяться в роторний контур двигуна торцевими екранами, і геометричних розмірів екранів. Виконано дослідження динамічних і енергетичних показників процесу пуску при живленні асинхронного електропривода з таким двигуном від джерела струму постійної частоти, джерела напруги з обмеженням струмів статора і їх порівняльна оцінка з параметрами пускового режиму електропривода з серійним двигуном з короткозамкненим ротором. Проаналізовано динамічні та енергетичні показники частотного пуску електропривода з струмово-частотним керуванням, коли управління частотою здійснюється в залежності від рівня фазної напруги асинхронного двигуна по синтезованому в роботі закону.

Ключові слова: електропривод, джерело моменту, джерело струму, асинхронний двигун, феромагнітний екран.

Красношапка Н.Д. Пусковые режимы асинхронных электроприводов со свойствами источника момента и с системами ограничения пусковых токов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, г. Киев, 2006.

Диссертация посвящена решению задачи улучшения динамических и энергетических показателей пусковых режимов работы электропривода при применении асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором путем формирования свойств источника момента в пусковых режимах.

Проанализированы известные конструктивные и схемотехнические способы формирования свойств источника момента в асинхронных электроприводах, а также наиболее распространенные способы ограничения пусковых токов асинхронных двигателей с фазным и короткозамкнутым ротором.

Исследована разновидность асинхронного двигателя с торцевым ферромагнитным экранированием фрагментов (удлиненных стержней и короткозамыкающих колец) роторной обмотки вне рабочего воздушного зазора. Торцевые ферромагнитные экраны вносят в роторный контур двигателя токово- и частотно-зависимые эквивалентные активные и индуктивные сопротивления. На основе расчета составляющих вектора Умова-Пойнтинга, характеризующих величины активной и реактивной мощностей, поглощаемых единицей поверхности экранов, предложена методика расчета эквивалентных сопротивлений, вносимых в роторный контур, при учете непостоянства напряженности магнитного поля на внутренних поверхностях экранов и переменной величины магнитной проницаемости как на поверхности, так и в глубине ферромагнитного массива.

Исследовано влияние геометрических размеров торцевых экранов на механическую и электромеханическую характеристики двигателя, разработана методика выбора целесообразных сочетаний геометрических размеров торцевых экранов.

Проанализированы свойства и характеристики асинхронных электроприводов с двигателями обычной конструкции и с торцевыми ферромагнитными экранами в роторном контуре при питании от источника тока постоянной и регулируемой частоты.

Установлено, что при питании обычного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором от источника тока регулируемой частоты (токово-частотное управление) с уменьшением скольжения ротора в процессе разгона имеет место монотонный рост уровня фазного напряжения при произвольной частоте, что позволяет использовать этот параметр в качестве управляющего фактора изменения темпа роста частоты источника тока. Синтезирован закон управления частотой преобразователя при пуске асинхронного электропривода, обеспечивающий ему свойство источника момента.

На базе известной математической модели пуска асинхронного двигателя определены динамические и энергетические показатели прямого пуска двигателя 4А160S2У3, которые используются в работе для сравнительной оценки соответствующих показателей модифицированного на его базе двигателя с торцевыми экранами и пусковых характеристик электроприводов с системами ограничения пусковых токов при питании от источников электроэнергии постоянной и регулируемой частоты.

Проведена оценка параметров пускового режима асинхронного электропривода, рассчитанных по его математическому описанию и при расчете по статической механической характеристике двигателя. Определены значения коэффициента динамичности, позволяющего установить адекватность между параметрами, определенными по динамической и статической моделям для различных значений суммарного момента инерции, величины и характера момента нагрузки электропривода.

Разработана математическая модель пуска асинхронного электропривода с двигателем, имеющим торцевые экраны в роторном контуре. С помощью этой модели проведено исследование динамических свойств и энергетических показателей процесса пуска электропривода с модифицированным двигателем при прямом пуске от сети с постоянным уровнем напряжения, и выявлены энергосберегающие свойства и лучшие динамические показатели такого двигателя за счет увеличения средней величины момента и снижения величины тока статора в процессе пуска по сравнению с двигателем обычной конструкции.

С помощью моделей электропривода по скорректированным (с помощью коэффициента динамичности) статическим механическим характеристикам серийного и модифицированного двигателей исследованы процессы пуска от источника тока постоянной частоты и от источника напряжения с ограничением тока статора на заданном уровне в пусковых режимах.

Проведено исследование динамических свойств и энергетических показателей асинхронного электропривода при частотном пуске с токово-частотным управлением, когда частота преобразователя изменяется по синтезированному в работе закону, который позволяет обеспечить в процессе разгона электропривода требуемую постоянную величину электромагнитного момента и постоянство абсолютного скольжения двигателя без датчиков момента и скольжения

Ключевые слова: электропривод, источник момента, источник тока, асинхронный двигатель, ферромагнитный экран.

Krasnoshapka N.D. Starting regimes of asynchronous electric drive with properties of moment source and with the systems of starting currents limitation. - Manuscript.

Thesis for candidate degree of technical sciences of speciality 05.09.03 - Electric Engineering Plants and Systems. - Institute of Electrodynamics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2006.

The thesis is devoted to the task solution of improvement of dynamic and power indexes of the starting modes electric drive operations at application of short-circuit rotor asynchronous motors by forming moment source properties in the starting regimes.

The variety of asynchronous motor, property moment source in which is attained due to the use of butt end ferromagnetic screens short-circuit rotor puttee fragments out of working air-gap is explored. The parameters computation methods brought in the rotor contour of motor by butt end screens and geometrical screens sizes are offered. Dynamic and power indexes starting process at the feed of asynchronous electric drive with such motor from the source of constant frequency current research is executed, tension source with stator currents limitation and their comparative estimation with the parameters of the electric drive starting regime with a standard industrial short-circuit rotor asynchronous motor. The dynamic and power electric drive starting frequency indexes with the current-frequency control are analyzed, when the frequency control is carried out depending on the asynchronous motor phase tension level on a synthesized in work law.

Key words: electric drive, moment source, current source, asynchronous motor, ferromagnetic screen.

Размещено на Allbest.ru