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.
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.
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