Avtoargon.ru

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

Устройство трехфазных асинхронных двигателей

Устройство трехфазных асинхронных двигателей

По конструкции асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (последние называют также двигателями с контактными кольцами). На рис. 3.1. представлен общий вид асинхронного двигателя с короткозамкнутой (а) и фазной (б) обмотками ротора.

Статоры асинхронных двигателей имеют следующую конструкцию: магнитопровод, который набран из штампованных листов электротехнической стали, в пазы которых уложена распределенная трехфазная обмотка, создающая круговое вращающееся магнитное поле с 2р полюсами.

Короткозамкнутую обмотку ротора (рис. 3.2, а) выполняют в виде стержней, расположенных вдоль внешней поверхности цилиндра с небольшим скосом и замкнутых между собой на торцах (обмотки типа беличьего колеса).

Фазный ротор (рис. 3.2, б) асинхронной машины набирают из листов электротехнической стали в полый цилиндр, по внутренней поверхности которого вырублены пазы. В эти пазы укладывается трехфазная обмотка ротора. Концы распределенной трехфазной обмотки ротора подключены к контактным кольцам. Наличие контактных колец и фазной обмотки позволяет изменять активное сопротивление цепи ротора двигателя в процессе его вращения, что необходимо для уменьшения значительного пускового тока, возникающего при пуске, а также для регулирования частоты вращения ротора и изменения величины его пускового момента.

Принцип действия асинхронного двигателя.

При подаче к трехфазной обмотке статора асинхронного двигателя трехфазного напряжения возникает результирующий вращающийся магнитный поток. Этот поток вращается в пространстве с частотой вращения, равной синхронной, которая находится в строгой зависимости от частоты ƒ, подводимого напряжения и числа пар полюсов p двигателя:

.

При этом частота вращения ротора n2 отличается от n1. Мерой этого отличия является скольжение ротора:

% .

Для большинства современных типов асинхронных электродвигателей скольжение ротора при номинальной нагрузке заключено в пределах (2 — 6) %, а при работе в режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки, скольжение ротора составляет доли процента. Каждый асинхронный электродвигатель характеризуется своими номинальными данными, на которые он рассчитан. Основные технические данные электродвигателя указаны в их паспортах и каталогах.

Конструкция обмотки статора дает возможность соединять обмотки двигателя как «треугольником», так и «звездой». Благодаря этому каждый трехфазный асинхронный электродвигатель можно использовать при двух различных (линейном и фазном) напряжениях питающей сети.

Вращающееся магнитное поле статора индуцирует в обмотках ротора трехфазную ЭДС:

Действующее значение ЭДС статора:

,

Действующее значение ЭДС ротора:

,

где — число витков в фазе статора и ротора; — амплитудное значение магнитного потока; — скольжение; — обмоточные коэффициенты обмоток статора и ротора.

Активная мощность, подводимая к электродвигателю из сети больше мощности, развиваемой двигателем на валу на величину потерь.

Электрические потери мощности в активных сопротивлениях обмотки статора и ротора (потери в меди)

, ,

где — число фаз обмотки статора; — ток в обмотке статора.

Потери мощности в магнитопроводах статора и ротора, равны сумме потерь на гистерезис и на вихревые токи (потери в стали) соответственно

, .

Мощность, передаваемая вращающимся магнитным полем ротору, называется электромагнитной мощностью и составляет:

,

где — ток ротора; — угол между током ротора и ЭДС ротора.

Мощность, преобразуемая в механическую равна:

.

Небольшая часть механической мощности теряется на трение в подшипниках ротора и вентиляцию . Мощность, развиваемая двигателем на валу:

.

Основная характеристика асинхронного двигателя – это зависимость скорости вращения ротора от вращающего момента механическая характеристика (рис. 3).

Рис. 3.3. Механическая характеристика асинхронного двигателя

При скольжении равном нулю, скорость вращения ротора равна , а при скольжение максимально — это критическое скольжение.

Естественной механической характеристикой называется характеристика двигателя с короткозамкнутым ротором (сопротивление обмотки ротора практически равно нулю).

Искусственная характеристика – это характеристика двигателя с сопротивлением обмотки ротора (фазный ротор).

Для каждого асинхронного двигателя может быть определен номинальный режим, то есть режим длительной работы, при котором двигатель не перегревается сверх установленной температуры. Момент , соответствующий номинальному режиму, называется номинальным моментом:

.

Номинальная скорость вращения ротора

.

Максимальный момент (ему соответствует критическое скольжение )

.

Упрощенное уравнение механической характеристики в относительных единицах (формула Клосса)

.

Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью асинхронного электродвигателя

.

Обычно перегрузочная способность изменяется в пределах от 1,8 до 2,5.

Отношение пускового момента , развиваемого двигателем в неподвижном состоянии, то есть при , к номинальному моменту называется кратностью пускового момента

.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя – это зависимости частоты вращения ротора или скольжения , тока статора , момента на валу , КПД и в функции мощности, развиваемой на валу двигателя при и (рис. 3.4). Рабочие характеристики строят для области устойчивой работы двигателя (от до на 10…20 %).

С целью уменьшения потерь мощности в роторе и для повышения КПД асинхронные двигатели проектируют с небольшим номинальным скольжением, поэтому зависимость , которая называется

скоростной характеристикой, является жесткой. Таким образом, частота вращения ротора при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке уменьшается незначительно (на 2…6 %).

Коэффициент полезного действия двигателя (КПД)

.

Поскольку общие потери зависят от нагрузки, то КПД двигателя является функцией нагрузки. Номинальный КПД двигателя достаточно высок. Для большинства современных асинхронных двигателей КПД имеет значение 80-90 %, а для мощных двигателей 90-96 %. Зависимости КПД и коэффициента мощности носят такой же характер, что и для трансформаторов, т.е. максимум КПД отвечает нагрузке 70…85 % от номинальной. Незначительный максимум имеет и кривая .

Работа асинхронного двигателя при небольшой нагрузке энергетически невыгодна из-за малого значения коэффициента мощности. Максимальный коэффициент мощности для асинхронного двигателя: малой и средней мощности (1…100 кВт) – 0,7…0,9; большой мощности (свыше 100 кВт) – 0,9…0,92 .

Расчёт и выбор электродвигателя производственного механизма методом эквивалентных величин , страница 2

По численному значению МЭКВ в каталоге или справочнике выбирают электродвигатель, исходя из условия МН ≥ МЭКВ, где МН – номинальный момент электродвигателя, указанный в каталоге или справочнике.

При выборе типа (модификации, исполнения, степени защиты и т. д.) электродвигателя следует учитывать режим работы, условия эксплуатации, категорию помещения.

В том случае, если в каталоге приведена мощность электродвигателя, а не значение момента, то номинальный момент двигателя определяется по формуле

где PH – значение номинальной мощности электродвигателя, кВт;

nС – значение синхронной скорости электродвигателя, мин — 1 ;

SН –значение номинального скольжения электродвигателя.

При правильно выбранном двигателе должны соблюдаться следующие условия

где IН; РН ; МН – соответственно номинальный ток, номинальная мощность

и номинальный момент электродвигателя.

После выбора электродвигателя по одному из методов эквивалентных величин необходимо произвести проверку электродвигателя на перегрузочную способность, которая характеризуется коэффициентом перегрузки.

Коэффициент перегрузки представляет собой отношение максимально допустимого (критического) момента двигателя МMAX. ДВ к его номинальному моменту МНОМ.

Для того чтобы удовлетворить требованиям кратковременных перегрузок для данного привода, необходимо, чтобы максимально допустимый момент двигателя МMAX. ДВ был больше максимального момента действующего МMAX. ДЕЙСТВ со стороны нагрузки (машины, агрегата).

Коэффициент перегрузки двигателей различных видов и типов различен.

Для асинхронных двигателей коэффициент перегрузки КП = 1,7 – 3,5; для синхронных двигателей КП = 1,65; для двигателей постоянного тока независимого и смешанного возбуждения КП = 2,0 – 2,5; для двигателей последовательного возбуждения КП = 2,5 – 3,0.

Читать еще:  Греется двигатель в чем причина и как устранить

При выборе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, кроме проверки на перегрузочную способность, необходимо проводить проверку по пусковому моменту МП ДВ двигателя, так как для таких двигателей эта величина обычно невелика.

При этом необходимо соблюдать условие МП ДВ > МСТ. НАЧ, где МСТ. НАЧ – начальный статический момент, создаваемый производственной машины или приводным механизмом.

Значение пускового момента электродвигателя определяется по формуле

где mП – кратность пускового момента (определяется по каталогу или

Значение максимально допустимого момента МMAX. ДВ электродвигателя определяется по формуле

где mКР – кратность критического (максимально допустимого) момента

двигателя (определяется по каталогу или справочнику).

Значение минимального момента МMИН. ДВ электродвигателя опреде-ляется по формуле

где mMIN – кратность минимального момента двигателя (определяется по
каталогу или справочнику).

Следует помнить, что у большинства асинхронных электродвигателей минимальный момент двигателя развивается при значении скольжения равном от 0,9 до 0,7, т.е. почти сразу после пуска двигателя.

Если в нагрузочной диаграмме с переменной нагрузкой можно выделить время (стадию) пуска, торможения с последующей остановкой (т.е. это позволяет масштаб диаграммы особенно по оси времени), то для двигателей с самовентиляцией расчёт эквивалентной мощности ведётся с учётом поправочных коэффициентов α и β, учитывающих ухудшение теплопередачи при снижении частоты вращения или останове двигателя по формуле (5.9).

РЭКВ = , (5.10)

где t1 – время пуска или торможения;

Коэффициенты α и β определяются экспериментально. Ориентиро- вочно их можно принять α = 0,75 – 0,5 и β = 0,5 – 0,25. Большие значения данных коэффициентов соответствуют двигателям постоянного тока, а наименьшие – асинхронным двигателям.

Если график нагрузки имеет значительные наклонные участки (рисунок 5.2), эквивалентную мощность определяют по формуле

РЭКВ = , (5.11)

Р Р2 Р3 Р1 Р4 Р5 t1 t2 t3 t4 to

  • АлтГТУ 419
  • АлтГУ 113
  • АмПГУ 296
  • АГТУ 267
  • БИТТУ 794
  • БГТУ «Военмех» 1191
  • БГМУ 172
  • БГТУ 603
  • БГУ 155
  • БГУИР 391
  • БелГУТ 4908
  • БГЭУ 963
  • БНТУ 1070
  • БТЭУ ПК 689
  • БрГУ 179
  • ВНТУ 120
  • ВГУЭС 426
  • ВлГУ 645
  • ВМедА 611
  • ВолгГТУ 235
  • ВНУ им. Даля 166
  • ВЗФЭИ 245
  • ВятГСХА 101
  • ВятГГУ 139
  • ВятГУ 559
  • ГГДСК 171
  • ГомГМК 501
  • ГГМУ 1966
  • ГГТУ им. Сухого 4467
  • ГГУ им. Скорины 1590
  • ГМА им. Макарова 299
  • ДГПУ 159
  • ДальГАУ 279
  • ДВГГУ 134
  • ДВГМУ 408
  • ДВГТУ 936
  • ДВГУПС 305
  • ДВФУ 949
  • ДонГТУ 498
  • ДИТМ МНТУ 109
  • ИвГМА 488
  • ИГХТУ 131
  • ИжГТУ 145
  • КемГППК 171
  • КемГУ 508
  • КГМТУ 270
  • КировАТ 147
  • КГКСЭП 407
  • КГТА им. Дегтярева 174
  • КнАГТУ 2910
  • КрасГАУ 345
  • КрасГМУ 629
  • КГПУ им. Астафьева 133
  • КГТУ (СФУ) 567
  • КГТЭИ (СФУ) 112
  • КПК №2 177
  • КубГТУ 138
  • КубГУ 109
  • КузГПА 182
  • КузГТУ 789
  • МГТУ им. Носова 369
  • МГЭУ им. Сахарова 232
  • МГЭК 249
  • МГПУ 165
  • МАИ 144
  • МАДИ 151
  • МГИУ 1179
  • МГОУ 121
  • МГСУ 331
  • МГУ 273
  • МГУКИ 101
  • МГУПИ 225
  • МГУПС (МИИТ) 637
  • МГУТУ 122
  • МТУСИ 179
  • ХАИ 656
  • ТПУ 455
  • НИУ МЭИ 640
  • НМСУ «Горный» 1701
  • ХПИ 1534
  • НТУУ «КПИ» 213
  • НУК им. Макарова 543
  • НВ 1001
  • НГАВТ 362
  • НГАУ 411
  • НГАСУ 817
  • НГМУ 665
  • НГПУ 214
  • НГТУ 4610
  • НГУ 1993
  • НГУЭУ 499
  • НИИ 201
  • ОмГТУ 302
  • ОмГУПС 230
  • СПбПК №4 115
  • ПГУПС 2489
  • ПГПУ им. Короленко 296
  • ПНТУ им. Кондратюка 120
  • РАНХиГС 190
  • РОАТ МИИТ 608
  • РТА 245
  • РГГМУ 117
  • РГПУ им. Герцена 123
  • РГППУ 142
  • РГСУ 162
  • «МАТИ» — РГТУ 121
  • РГУНиГ 260
  • РЭУ им. Плеханова 123
  • РГАТУ им. Соловьёва 219
  • РязГМУ 125
  • РГРТУ 666
  • СамГТУ 131
  • СПбГАСУ 315
  • ИНЖЭКОН 328
  • СПбГИПСР 136
  • СПбГЛТУ им. Кирова 227
  • СПбГМТУ 143
  • СПбГПМУ 146
  • СПбГПУ 1599
  • СПбГТИ (ТУ) 293
  • СПбГТУРП 236
  • СПбГУ 578
  • ГУАП 524
  • СПбГУНиПТ 291
  • СПбГУПТД 438
  • СПбГУСЭ 226
  • СПбГУТ 194
  • СПГУТД 151
  • СПбГУЭФ 145
  • СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
  • ПИМаш 247
  • НИУ ИТМО 531
  • СГТУ им. Гагарина 114
  • СахГУ 278
  • СЗТУ 484
  • СибАГС 249
  • СибГАУ 462
  • СибГИУ 1654
  • СибГТУ 946
  • СГУПС 1473
  • СибГУТИ 2083
  • СибУПК 377
  • СФУ 2424
  • СНАУ 567
  • СумГУ 768
  • ТРТУ 149
  • ТОГУ 551
  • ТГЭУ 325
  • ТГУ (Томск) 276
  • ТГПУ 181
  • ТулГУ 553
  • УкрГАЖТ 234
  • УлГТУ 536
  • УИПКПРО 123
  • УрГПУ 195
  • УГТУ-УПИ 758
  • УГНТУ 570
  • УГТУ 134
  • ХГАЭП 138
  • ХГАФК 110
  • ХНАГХ 407
  • ХНУВД 512
  • ХНУ им. Каразина 305
  • ХНУРЭ 325
  • ХНЭУ 495
  • ЦПУ 157
  • ЧитГУ 220
  • ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

  • О проекте
  • Реклама на сайте
  • Правообладателям
  • Правила
  • Обратная связь

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Скоростные и механические характеристики асинхронного двигателя

Cхема включения асинхронной машины приведена на рис.2.12.

Рис.2.12. Схема включения асинхронной машины

Для определения уравнений, описывающих скоростные и механические характеристики асинхронного двигателя, используется упрощенная схема его замещения (рис.2.13). При этом приняты следующие допущения:

— не учитывается насыщение магнитной цепи электрической машины;

— параметры ротора и статора не зависят от режима работы двигателя;

— не учитываются добавочные потери и влияние высших гармонических составляющих намагничивающих сил;

по причинам, указанным в подразделе 2.2 считаем, что электромагнитная мощность асинхронного двигателя примерно равна мощности на его валу.

Рис.2.13. Схема замещения асинхронного электродвигателя

Из схемы замещения следует, что приведенный ток ротора равен:

. (2.39)

Известно, что электромагнитная мощность, передаваемая на ротор, равна:

где 2 — приведенный ток ротора;
Im — ток намагничивания;

Хm — индуктивное сопротивление контура намагничивания;

– фазное напряжение статора;

R1 , X1 — активное и индуктивное сопротивления обмотки статора соответственно;

2 , X¢2 — приведенные активное и индуктивное сопротивления обмотки ротора соответственно;

S = (w — w ) / w — скольжение.

Подставим в (2.40) вместо приведенного тока ротора его значение из (2.39) и определим электромагнитный момент М двигателя:

Зависимости (2.39) и (2.41) являются уравнениями скоростной и механической характеристик соответственно. Из анализа (2.41) следует, что при S = 0 и S ® ± ¥ момент двигателя равен нулю, то есть описываемая данным уравнением кривая имеет точки экстремумов. Для определения этих точек решается уравнение

и определяется значение критического скольжения:

Ö R1 2 + X 2 к

где Xк = X1 +X¢2 — индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Подставив (2.42) в (2.41) получаем уравнение для определения значения критического момента:

Знаки ( ± ) в (2.42) и (2.43) означают, что максимум момента имеет место как в двигательном, так и в генераторном режимах: (+) – для двигательного режима; (-) – для генераторного. Причем из анализа (2.43) очевидно, что момент Мкг критический в генераторном режиме больше, чем момент Мкд критический в двигательном режиме.

С учетом (2.42) и (2.43) уравнение механической характеристики приобретает следующий вид:

2 Мк (1 + а Sк)

S / Sк + Sк / S + 2 а Sк

В тех случаях, когда R1 2 / 2 w Хк.

Если производится анализ работы машины при S

Рис.2.14. Механическая характеристика асинхронной машины

В нефтяной промышленности применяются погружные короткозамкнутые электродвигатели, работающие при высоких температурах и давлениях, когда для обеспечения требуемой перегрузочной способности необходимо уплотнение между подшипником и выходным валом, которое чаще всего невозможно обеспечить. Поэтому для избежания тяжелых аварий и снижения качества перекачиваемой жидкости стали применяться асинхронные двигатели, где статор и ротор отделены друг от друга антимагнитной гильзой, изготовленной, например, из аустенитной стали. Вал двигателя соединяется с рабочим колесом насоса без герметических уплотнений. Благодаря такой конструкции стало возможным изготовление погружных электродвигателей на десятки киловатт с КПД до 96 %.

Читать еще:  Щелчки при запуске двигателя киа рио

Из анализа механической характеристики асинхронной машины и описывающего ее уравнения можно сделать следующие выводы:

— критические момент и скольжение асинхронной машины уменьшаются при увеличении ее индуктивного сопротивления и активного сопротивления статора;

— критическое скольжение не зависит от напряжения питания двигателя, а критический момент пропорционален его квадрату;

— жесткость механической характеристики является переменной величиной и при скольжениях, равных критическим, происходит изменение ее знака;

— при скольжениях, меньше критических, жесткость характеристики отрицательна, а при скольжениях, больше критических – положительна, то есть во втором случае работа асинхронной машины в статических режимах является неустойчивой;

— в зоне малых скольжений при S

Скоростная характеристика асинхронной машины описывается уравнением (2.39), однако, в связи с тем, что у данной машины имеется и ток статора, необходимо исследование двух видов скоростных характеристик:

Из анализа (2.39) следует, что при ½S½® ¥ ток ротора стремится к значению некоторого предельного тока I2¢пр, который определяется как

I2¢пр = Uф / Ö R1 2 + Х 2 к . (2.47)

При отрицательных скольжениях ток ротора возрастает и имеет экстремум, который характеризуется максимальными значениями тока I2¢м и скольжения Sтм. Ток I2¢м определяется из условия dI2¢/ dS = 0 и описывается уравнением

При этом Sтм = — R¢2 / R1 = — 1 / а. (2.49)

При скольжениях, больших Sтм, ток ротора стремится к I2¢ пр. Так как для двигателей небольшой мощности а » 1, то S тм » — 1.

У двигателей большой мощности а ® 0, то есть Sтм ® — ¥, следовательно, режим, когда ток равен максимальному, практически недостижим. Из этого следует, что при равных значениях скольжения ток в генераторном режиме всегда больше тока в двигательном режиме.

Однако для построения скоростной характеристики не всегда удобно использовать (2.39) из-за отсутствия обмоточных данных машины. Поэтому из (2.40) и (2.44) получаем

2Мк (1 + аSк )S w

3 (S / Sк + Sк / S + 2аSк) R¢2

При номинальном значении тока I2¢н ротора

где – номинальное скольжение.

После совместного решения (2.50) и (2.51) относительно тока ротора получаем:

Sн (1 / Sк + Sк / S 2 + 2аSк)

где Мн – номинальный момент асинхронной машины.

Из упрощенной круговой диаграммы [1] асинхронной машины получаем:

I1 = Ö Im 2 + I¢2 2 (1+ 2 a Ö 1 – а 2 Sк 2 ) , (2.53)

где a = Im / I2¢пр – коэффициент кратности тока намагничивания.

На рис.2.15 приведены скоростные характеристики асинхронной машины, рассчитанные по изложенным выше методикам.

Из рис.2.14 и рис.2.15 видно, что даже при небольших моментах короткого замыкания токи короткого замыкания могут иметь значительные величины. Поэтому возникает необходимость их ограничения. Для этого применяются специальные методы, которые будут описаны ниже при рассмотрении динамических режимов электроприводов.

С точки зрения распределения энергии асинхронная машина может работать в тех же режимах, что и машина независимого возбуждения, и имеет такие балансы мощностей.

Режим рекуперации осуществляется при w > w , то есть при S w гр энергия, поступающая с вала электродвигателя, не отдается в сеть, а рассеивается в виде потерь в электрических цепях машины.

Критический момент в генераторном режиме больше, чем в двигательном в результате того, что при равных модулях скольжения ток в генераторном режиме всегда больше, чем в двигательном и эта разница увеличивается при увеличении активного сопротивления статора. Из (2.43) можно получить соотношение критических моментов в двигательном и генераторном режимах:

Мкг /мкд = (аSк + 1 ) / (аSк — 1)

Рис.2.15. Скоростные характеристики асинхронной машины

Режим противовключения возможен при изменении направления вращения ротора или поля статора. Первое возможно при наличии активного статического момента, превышающего момент короткого замыкания (область Б рис.2.16); второе – за счет изменения последовательности чередования фаз (область В рис.2.16).

Рис.2.16. Механические характеристики при различных режимах

работы асинхронной машины

Режим динамического торможения асинхронной машины осуществляется путем отключения ее от сети переменного напряжения и подачи в две фазы статора постоянного тока. В процессе торможения энергия поступает с вала двигателя и расходуется в виде электрических потерь.

Из уравнения баланса мощностей определяется уравнение механической характеристики при динамическом торможении [1]:

3 I 2 экв R¢2 Хm 2 S

где Iэкв = 0,472 Iп;

Iп – постоянный ток в обмотке статора.

Анализ (2.54) показывает, что описываемая этим уравнением кривая имеет экстремум. Для определения момента Мкт и скольжения Sкт в точке экстремума решаем уравнение dМ / dS = 0 и после преобразований получаем:

3 I 2 экв Хm 2 S

Построенные согласно (2.54) механические характеристики динамического торможения приведены на рис.2.17.

Из (2.55), (2.56) и рис.2.17 следует, что величина критического скольжения при динамическом торможении не зависит от величины постоянного тока в обмотке статора и изменяется при изменении активного сопротивления роторной цепи. Критический момент, при прочих равных условиях, пропорционален квадрату постоянного тока, подаваемого в цепь статора. Кроме электрического в электроприводах обычно используется и механическое торможение. Например, в электроприводе буровых лебедок для осуществления надежного торможения используются асинхронные электродвигатели, объединенные с тормозным устройством. Для этого используется асинхронный двигатель с коническим ротором и встроенным тормозом. Здесь вал двигателя заканчивается вентилятором с тормозной шайбой, а на боковом щитке крепится тормозной диск. При включении двигателя в сеть ротор втягивается в расточку статора, и тормозная шайба отходит от диска, прекращая тормозное действие. После выполнения рабочих операций двигатель отключается от сети, под воздействием пружины ротор соприкасается с тормозной шайбой и рабочий механизм затормаживается. При такой конструкции вентилятор обдувает двигатель и тормозное устройство.

Специальные регулируемые асинхронные двигатели

Специальные регулируемые асинхронные двигатели создаются в результате адаптации общепромышленных асинхронных двигателей к их условиям эксплуатации в управляемых электроприводах, имеющие в итоге более высокие энергетические и массогабаритностоимостные показатели по сравнению с неадаптированными.

Работа асинхронного двигателя в регулируемом электроприводе (ЭП) характеризуется существенными особенностями, которые и определяют предъявляемые к ним специфические технические требования. Эти особенности связаны с изменяющимися в заданных пределах, а часто и по заданным законам, значениями частот вращения двигателя, величин и частот питающего двигатель напряжения или тока, наличием и необходимостью учёта временных высших гармонических составляющих. В силу этого специфическими являются математические модели (ММ) электромагнитных, электромеханических, энергетических, тепловентиляционных процессов в установившихся и переходных режимах работы двигателей, расчетов добавочных магнитных потерь, механических и виброакустических показателей, которые построены на усовершенствованных расчетных методиках.

Использование серийных асинхронных двигателей (АД) в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями не оптимально по массогабаритным, энергетическим и другим показателям. По некоторым оценкам использование обычных серийных АД в частотном приводе снижает КПД и требует завышения их установленной мощности на 15-20 % при работе в установившихся режимах и до 40-45 % при работе в динамических режимах. Из-за высших гармоник напряжения и тока на выходе преобразователя частоты на 5-6 % возрастают потери в двигателе.

Необходимо проектирование специальных регулируемых асинхронных двигателей (РАД) с улучшенными регулировочными, динамическими и виброакустическими свойствами. Применение РАД, спроектированных с учётом специфики их работы в условиях регулируемого ЭП, вместо общепромышленных АД дает возможность значительно снизить массу, габариты и стоимость электроприводов, улучшить их функциональные показатели. Если оптимально спроектировать двигатель для частотного регулирования, можно получить на 25 % большую мощность, чем у общепромышленных АД того же габарита, либо уменьшить объем при той же мощности.

Читать еще:  Pandora dxl как отключить двигатель 3500

Содержание

Технические предпосылки

Техническими предпосылками, обеспечивающими преимущества адаптированных регулируемых двигателей над серийными машинами, являются:

  • Исключение требований к пусковым характеристикам (не ставиться задача обеспечения кратностей пускового и максимального моментов), в связи с чем может быть применена соответствующая форма паза ротора (отказ от глубоких пазов), обеспечивающая минимальное активное сопротивление обмотки ротора и меньшую индуктивность рассеяния;
  • требуемую частоту вращения производственного механизма, определяемую частотой питания двигателя, числом полюсов обмотки статора АД и передаточным числом редуктора, можно обеспечить при различных сочетаниях этих трех величин;
  • возможность некоторого снижения перегрузочной способности АД, поскольку система привода отслеживает параметры напряжения или тока питания двигателя;
  • использование эффективных систем само- и, при необходимости, принудительного охлаждения;
  • возможность выбора оптимального соотношения нестандартных значений напряжения и частоты проектируемого двигателя, отличного от базового и согласованного с номинальными значениями преобразователя, что позволяет снизить массу и габариты;
  • усиление электроизоляции витков обмотки статора с целью защиты от импульсных перенапряжений;
  • использование соответствующих подшипников с учётом, как высоких скоростей вращения, так и появления паразитных токов от высокочастотной коммутации.

Принципы и методология проектирования

Основные принципы и методология проектирования РАД должны базироваться на системном подходе и определяться с учётом существенной специфики их работы в составе ЭП как в установившихся, так и в динамических режимах. Системный подход предусматривает рассмотрение РАД во взаимодействии с другими элементами ЭП: силовой преобразовательной частью, системой управления и регулирования, исполнительным органом рабочей машины. Эффективность системного подхода при проектировании РАД основывается на учёте особенностей отдельных составляющих ЭП, характера отношений и связей между этими составляющими. Благодаря этому значительно повышаются адекватность ММ и соответственно качество проектного синтеза РАД. Использование системного подхода позволяет реализовывать комплексный анализ проектируемого РАД, на основе которого рассматриваются все наиболее важные для проектного синтеза аспекты устройства и функционирования РАД.

Системный подход дает возможность осуществить:

  • комплексный учёт всей необходимой совокупности проектных факторов в их взаимосвязи и взаимовлиянии;
  • разработку и применение адекватных ММ, учитывающих изменение параметров во всем диапазоне регулирования, и другие особенности работы РАД в регулируемом ЭП;
  • обоснование и применение рациональной декомпозиции проектной ММ и модели объекта проектирования, процессов проектного синтеза и оптимизации;
  • реализацию эффективных методов оптимизации;
  • системную организацию технологии процесса проектного синтеза РАД.

Исходя из системного подхода, определяются специфические проектные критерии и ограничения, используемые при проектировании РАД.

Проектные ММ на основе принципа декомпозиции могут быть составлены с использованием моделей отдельных компонентов ЭП, в том числе и модели объекта проектирования — РАД. Модель РАД должна учитывать полигармонический состав питающего напряжения переменных величины и частоты, изменение параметров двигателя в процессе регулирования и ряд других проектных особенностей. Полупроводниковые преобразователи, отличающиеся типами, силовыми схемами, видами регулирования, законами управления и т. д., представляются разными ММ. Нагрузки ЭП имеют различные законы изменений моментов сопротивлений от частоты вращения и различные уровни. Они могут быть непрерывного или циклического действия. Все это должно найти отражение в ММ нагрузок. Работа АД в системах с ПП обладает существенной спецификой, которая является причиной появления новых требований к параметрам и технико-экономическим показателям РАД, в результате чего задача разработки машин для указанных систем переросла в самостоятельную проблему, включающую и круг вопросов, связанных с определением оптимальных параметров двигателей. Для решения задач проектного синтеза и оптимизации таких двигателей не могут быть применены стандартные методы и программное обеспечение, разработанные для АД общепромышленного назначения.

Особенности и требования

При проектировании РАД учитываются следующие особенности и требования:

  • необходимость использования в системе расчетного проектирования комплексных ММ, включающих в себя модели всех взаимодействующих компонентов ЭП, а не только модели двигателя, как это делается при проектировании общепромышленных АД;
  • выполнение проектирования на определенный диапазон частот вращения, что требует проведения большого объема поисковых и поверочных расчетов;
  • формирование набора специфичных критериев оптимальности.

При проектировании РАД для приводов с ПП, как и при выборе серийных АД для этих приводов, могут использоваться также такие критерии как масса, габариты, стоимость двигателя или диапазонные критерии — энергетические показатели двигателя и приведенные затраты. Особые диапазонные критерии оптимальности обуславливают специфику их определения. В частности, энергетические показатели — КПД и коэффициент мощности, приведенные затраты должны рассматриваться в виде эквивалентных усредненных значений для всего диапазона регулирования. При необходимости в состав критериев включаются аналогичные критерии приводов в целом. В ряде случаев может применяться обобщенный критерий, представляющий собой скалярную свертку вышеуказанных критериев с различными коэффициентами их значимости. В установившихся режимах специфика работы РАД заключается, прежде всего, в том, что в каждой рабочей точке двигатель питается определенным по качественно-количественному составу полигармоническим напряжением, зависящим от типа, вида регулирования, закона управления преобразователя, и работает в общем случае с определенным нагрузочным моментом. В разных рабочих точках диапазона регулирования значения параметров схем замещения двигателя различны. Они определяются с учётом вытеснения токов в обмотках и насыщения магнитной цепи машины. Эти особенности положены в основу оптимизационно-поисковых расчетов.

Адаптация

Задача адаптации электромашинной части регулируемых ЭП к специфическим условиям работы решается как задача структурно-параметрической оптимизации РАД. Трудоемкость задачи проектирования обусловлена не только необходимостью формирования множества рациональных структур РАД, но и необходимостью решения задачи параметрической оптимизации для каждой сформированной структуры. По своей направленности задачи структурного синтеза можно разделить на внутренние (относящиеся к АД) и внешние (относящиеся к системе привода). Задачей параметрической оптимизации является определение такого набора значений управляемых переменных некоторой сформированной структуры электропривода и входящего в него РАД, при котором целевая функция имеет наилучшее значение. При этом выполняются все требования и ограничения, оговоренные в задании на проектирование. Множество структур РАД с оптимизированными параметрами является информационным базисом для выбора оптимального варианта РАД.

Системный подход предусматривает рассмотрение всех аспектов функционирования РАД. Поэтому при проектном синтезе РАД используется ряд подсистем, с помощью которых осуществляются поверочные расчеты. К их числу относятся расчеты механических и виброакустических показателей, неустановившихся режимов работы. Проектные ММ подсистем так же, как и модели оптимизационно-поисковых расчетов, являются комплексными, составленными из ММ входящих в привод элементов, и в них выполнен учёт рассмотренной выше специфики. При наличии в техническом задании на проектирование РАД активных ограничений, прямо не связанных с электромагнитными, электромеханическими, тепловыми процессами, задача условной оптимизации решается на основе сочетания методов уступок по критериям и релаксации ограничений.

Использование информационных технологий автоматизированного проектного синтеза, прикладного математического и программного обеспечения позволяет реализовать следующие варианты:

  • проектирование и производство серий РАД на основе тщательного анализа рынка потребления;
  • разработка РАД для использования в регулируемых ЭП конкретных электромеханических систем;
  • редизайн АД, использующегося в настоящее время в определенных регулируемых ЭП с целью их адаптации к специфическим условиям работы.
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector