1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Асинхронный двигатели улучшение пусковых характеристик

Модернизация системы частотно-регулируемого асинхронного электропривода

  • Статья
  • Об авторах
  • Cited By

Аннотация

Ключевые слова

Для цитирования:

Шестаков И.В., Сафин Н.Р. Модернизация системы частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(2):25-33. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2019-2-25-33

For citation:

Shestakov I.V., Safin N.R. Modernization of a frequency-controlled asynchronous electric drive system. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2019;(2):25-33. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2019-2-25-33

Современный частотно-регулируемый асин­хронный электропривод (ЧРАП) широко при­меняется в изделиях военной техники (ВТ) и конверсионной гражданской техники (ГТ). Для изделий первой категории предъявляют жесткие требования к условиям эксплуатации (согласно комплексам государственных во­енных стандартов «Климат-6» и «Мороз-7»). В изделиях ВТ электропривод часто функци­онирует в условиях термонагруженного отсе­ка, что усложняет задачу снижения тепловы­деления и рассеивания теплоты. Требования по обеспечению гарантийной работоспособ­ности приводного/рабочего механизма связа­ны в том числе и с повышением энергоэффек­тивности ЧРАП. Такая задача в первую оче­редь зависит от степени минимизации потерь в компонентах электропривода, приводящих к снижению КПД и повышенному энергопо­треблению. Исходя из этого задача повыше­ния энергоэффективности ЧРАП в таких ус­ловиях является актуальной.

Объект данного исследования — частот­но-регулируемый электропривод переменно­го тока, в силовой цепи которого использует­ся трехфазный асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором, получающим питание от преобразователя частоты (ПЧ) — силового контроллера с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Цель работы — исследование возможно­стей повышения энергоэффективности ЧРАП электрогидравлической трансмиссии самоход­ного грузоподъемного агрегата. Статья являет­ся продолжением работ [1, 2].

Один из вариантов решения данной за­дачи — совершенствование существующих и разработка новых типов электродвигателей и полупроводниковых преобразователей с улуч­шенными энергетическими характеристиками.

В области электромашиностроения оте­чественная промышленность освоила произ­водство нескольких серий асинхронных дви­гателей общего назначения (АИ, 5А), которые имеют более высокие КПД и коэффициент мощности. Например, в ОАО «РУСЭЛПРОМ» разработаны специальные крановые двигатели серий 5МТК и 7МТК для частотно-регулиру­емого электропривода. Усовершенствованные технологии изготовления обмотки статора и конструкция магнитопровода обеспечивают надежную эксплуатацию электродвигателей при питании от автономных инверторов на­пряжения (АИН) и возможность регулирова­ния частоты вращения в широком диапазоне.

Сегодня успехи в развитии микропроцес­сорных средств управления позволяют решать практические задачи повышенной сложно­сти: идентификация параметров, оценка пере­менных состояния, адаптивное и оптимальное управление. Одним из важных направлений в теории и практике регулируемого электроприво­да остается разработка электроприводов, кото­рые обеспечивали бы технологические процес­сы при минимальных энергетических затратах.

Читать еще:  Двигатель z16xer из за чего дизелит

Практически допустимые области функ­ционирования ЧРАП определяются в том числе и законом частотного управления , а также каче­ством его реализации в системе регулирования.

В настоящее время существуют разные типы управления АД, реализуемые в ПЧ на основе скалярных и векторных систем управления. В свою очередь векторное управление под­разделяется на два основных вида: с прямой ориентацией по полю ротора (с датчиком по­ложения ротора, датчиком скорости, датчиком магнитного потока в воздушном зазоре) и с косвенной ориентацией по полю ротора (без- датчиковое/бессенсорное).

Соответственно векторное управление с косвенной ориентацией по полю ротора по­зволяет исключить использование датчика ско­рости (и датчиков других типов), но данный вариант имеет следующие неблагоприятные особенности:

  • в режиме малого скольжения, т. е. при работе электродвигателя на низких скоростях, снижается качество регулирования скорости [3];
  • усложняется и удорожается програм­мно-аппаратная часть электропривода.

Использование датчика скорости в опре­деленной степени снижает надежность ЧРАП ввиду влияния комплекса физико-химических и климатических факторов широкого диа­пазона, например в условиях ограниченного термонагруженного пространства с вибро-, те­пловыделяющим оборудованием. Кроме того, датчики скорости (энкодеры) в крановом элек­троприводе являются наименее надежными элементами, выход их из строя происходит достаточно часто [4]. С учетом всего этого в системе управления ЧРАП реализован скаляр­ный принцип частотного управления.

Одновременно с этим выбор АД для ра­боты в регулируемом электроприводе является важным фактором, влияющим на надежность эксплуатации приводного/рабочего механиз­ма. В данной статье рассматривается новый тяговый АД (получен патент РФ на полезную модель № 184734) с характеристиками: номи­нальная мощность PN = 15 кВт; номинальное фазное напряжение UN = 127 В; номинальный фазный ток IN = 50,38 А; частота питающего напряжения fN = 400 Гц; КПД ηΝ = 0,8651; коэффициент мощности cos φ N = 0,8351; чис­ло пар полюсов z p = 4; относительное сколь­жение s = 0,0269; скорость вращения ротора Ω2 = 611,42 рад/c. Электродвигатель изготов­лен для работы в жестких условиях при вли­янии различных негативных факторов. Для повышения надежности электродвигателя его конструктивная часть включает в том числе охлаждающий контур с охлаждающими канала­ми, проходящими через ротор в осевом направ­лении. Принятые решения позволяют улучшить циркуляцию внутреннего воздуха и тем самым усовершенствовать схему теплопередачи.

Читать еще:  Что является топливом для реактивных двигателей

Питание АД от ПЧ не улучшает энерге­тические показатели системы ЧРАП непосред­ственно. Наоборот, потери электродвигателя, питаемого от инвертора с ШИМ напряжением, выше, чем у электродвигателя, питаемого от сети. Это обусловлено как снижением действу­ющего напряжения в номинальном режиме, так и увеличенными электрическими и маг­нитными потерями из-за влияния коммутаци­онной составляющей тока и высших гармоник поля статора [5].

Таким образом, эксплуатация ЧРАП со­провождается рядом негативных факторов: возникновение высших гармоник питающего напряжения, вызывающих импульсные пере­напряжения в обмотке статора; повышенные потери, снижающие КПД, полезную мощность АД и увеличивающие нагрев; дополнитель­ные инерционные моменты, увеличивающие вибрацию и шум.

В связи с этим для количественной оцен­ки предлагается проведение сравнительного математического моделирования конкретно­го АД при питании от сети и от ПЧ. Модели­руется режим прямого пуска АД до скорости идеального холостого хода (Ω0N = 628,3 рад/с) с последующим набросом активной нагрузки Mc = 24,6 Н-м, при этом скорость снижается до Ω2 = 611,4 рад/с (относительное значение номи­нальной скорости ротора ω 2 = 1 — s = 0,9731).

Проведен ряд экспериментов на мате­матической модели АД при питании от сети (рис. 1), в которых снимались значения ско­рости вращения вала, действующие значения токов и электрических потерь в обмотках ста­тора и ротора. Результаты приведены в табл. 1.

Рис. 1. Математическая модель АД при питании от сети в пакете MATLAB Simulink

Мир науки

При пуске синхронного двигателя его вращающий момент равен нулю, т. е. двигатель нужно раскрутить до частоты вращения, которая близка к синхронной. Иногда для этого применяется специальный разгонный асинхронный двигатель малой мощности, а двигатель синхронизируется с сетью по примеру генератора при включении на параллельную работу.

Чаще всего применяется другой вид пуска. Для приспособления двигателя к такому пуску при явно полюсном роторе в полюсные наконечники закладывают пусковую короткозамкнутую обмотку, которая состоит из медных или латунных стержней. Она похожа на беличье колесо асинхронной машины и занимает небольшую часть окружности ротора.

Читать еще:  Acteco двигатель что это

Пуск двигателя можно разделить на два этапа: I — асинхронный набор частоты вращения без возбуждения постоянным током; II — втягивание в синхронизм после включения постоянного тока возбуждения. Первый этап такого пуска характеризуется тем, что обмотку возбуждения отключают от источника постоянного тока и замыкают активное сопротивление Rпуск , которое во много раз превышает активное сопротивление обмотки возбуждения. Нельзя оставлять обмотку возбуждения разомкнутой, потому что вращающееся поле способно индуктировать в ней большую э. д. с., которая опасна для целости изоляции.

Однако следовало бы замыкать эту обмотку накоротко, из-за того что в ней возникает большой однофазный ток, способный тормозить ротор при достижении им половины синхронной частоты вращения. Чаще всего для уменьшения пусковых токов применяют включение двигателя через пусковой автотрансформатор либо через реактивную катушку. При пуске замыкают выключатель 2, через который соединяются по схеме «звезда» три фазные обмотки автотрансформатора АТ. Для того чтобы подать на вход автотрансформатора напряжение сети, следует замкнуть рубильник 1, т. е. на зажимы статора синхронного двигателя СД подается пониженное с по- мощью автотрансформатора линейное напряжение трехфазной системы, под действием которого ротор двигателя начинает вращение как короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя.

Если скольжение ротора мало, нужно разомкнуть рубильник, в результате чего напряжение на зажимах двигателя немного повысится, так как только часть каждой из фазных обмоток автотрансформатора является реактивной катушкой, которая включена последовательно с фазной обмоткой двигателя и при этом ограничивает своим сопротивлением величину пускового тока. Затем двигатель включается на полное напряжение сети через замыкание рубильника. Однако, пока не включили постоянный ток, ротор вращается асинхронно.

Пуск заканчивают включением постоянного тока возбуждения переключателем. Двигатель приобретает синхронную частоту вращения под действием электромагнитных сил и развивает необходимый вращающий момент. Такой пуск не требует операций по синхронизации двигателя с сетью и может быть автоматизирован.

Для пуска мощных синхронных двигателей можно улучшить условия пуска и работы через применение для питания цепи возбуждения управляемых кремниевых вентилей — тиристоров.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector