Характеристики асинхронних двигунів при зміні властивостей сталі

Размещено на http://www.allbest.ru/

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО

УДК 621.313.33

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ ПРИ ЗМІНІ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТАЛІ

Огарь Віта Олександрівна

Кременчук - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України РОДЬКІН Дмитро Йосипович, завідувач кафедри систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор СИВОКОБИЛЕНКО Віталій Федорович, завідувач кафедри електричних станцій ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, ПОПОВИЧ Олександр Миколайович, старший науковий співробітник відділу електромеханічних систем Інституту електродинаміки НАН України

Захист відбудеться 30 червня 2009 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 45.052.01 при Кременчуцькому державному політехнічному університеті імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України за адресою: 39600, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева 20, корпус № 1, ауд. 1211.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України (39600, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20).

Автореферат розісланий «27» травня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради канд. техн. наук., доцент А.В. Некрасов



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Асинхронні двигуни (АД) є найбільш розповсюдженим типом електричних машин, які знайшли широке застосування у всіх галузях народного господарства, що зумовлено низкою переваг порівняно з іншими типами машин. На їх надійність впливає ряд основних факторів: якість матеріалів, які використовуються при виготовленні, відхилення від технології виробництва, ненормовані режими експлуатації, невідповідність конструктивного виконання фактичним умовам використання, що призводить до погіршення теплового стану АД. Слід зазначити, що одним із важливих чинників його формування є втрати в міді та сталі статора. Якщо визначення втрат у міді статора не викликає труднощів, то питання визначення втрат у сталі потребує більш детального аналізу і є досить важливим при дослідженні процесів, що відбуваються в машині.

До факторів, що викликають зміну характеристик АД, можна віднести: неякісність напруги мережі, параметричну несиметрію статорних і роторних обмоток, дефекти механічної системи, зміну характеристик магнітної системи. Питанням цього напряму приділялась увага у роботах Петрова Л. П., Постнікова І. М., Важнова А. І., Сіпайлова Г. А., Войтеха О. А. та інших авторів. Однак недостатньо дослідженим залишається питання впливу зміни властивостей магнітної системи АД на його характеристики, що викликане складністю фізичних процесів, які спостерігаються в електротехнічній сталі, а саме: її насиченням, явищем вихрових струмів, зміною кривої намагнічування у процесі довготривалої експлуатації або під час ремонтних операцій. Крім цього, слід зазначити, що визначення втрат у сталі, на які впливають вищеперелічені фактори, у більшості випадків можливе побічно і викликає труднощі.

На сьогодні все більш широко у промисловості застосовується частотно-реґульований електропривод на базі АД, що дозволяє підвищити енергетичну ефективність за рахунок керування механізмами відповідно до вимог технологічного процесу. Зміна властивостей магнітної системи, що відбувається в АД, впливає на характеристики системи електропривода, до складу якого він входить. Тому необхідна розробка способів керування, які дозволять скомпенсувати негативний вплив, пов'язаний із погіршенням стану магнітної системи АД.

У зв'язку з цим дослідження характеристик АД з урахуванням змін, які відбуваються в його магнітній системі та розробка методу визначення втрат у сталі, що збільшуються у результаті тривалої експлуатації та під час ремонтних операцій є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження відповідають комплексній проблемі НАН України “Наукові основи електроенергетики” та напряму науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України - “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” та включені до плану бюджетних НДР Міністерства освіти і науки України: тема 7Д/03-ЦЕНТР “Дослідження та розробка систем енергомоніторинґу електромеханічного обладнання промислових підприємств”, № ДР0103U000804, м. Кременчук, 2003-2005 рр. Крім того, основні положення та результати роботи використані у внутрішньовузівській НДР за темою „Розробка теорії енергопроцесів та систем інтелектуального захисту електричних приводів технологічних механізмів” (142В/04-НДЦ(А)), де здобувач була співвиконавцем.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в удосконаленні методів визначення втрат у сталі шляхом урахування властивостей магнітної системи при дослідженні характеристик асинхронних двигунів.

Для досягнення мети поставлені й вирішені наступні задачі:

аналіз аварійності асинхронних двигунів із тривалим терміном експлуатації та багаторазовими ремонтами;

аналіз теоретичних і експериментальних методів визначення втрат у сталі асинхронних двигунів;

розробка математичної моделі асинхронного двигуна з насиченою сталлю на основі схеми заміщення з додатковою е.р.с. у контурі намагнічування; асинхронний двигун намагнічування ремонт

розробка методу для дослідження характеристик асинхронного двигуна з урахуванням втрат у сталі на основі додаткової е.р.с. та визначення кривої намагнічування машини;

розробка математичної моделі для оцінювання впливу вихрових струмів на характеристики асинхронного двигуна;

математичне моделювання та експериментальні дослідження розроблених підходів з метою підтвердження основних теоретичних положень і наукових результатів дисертаційної роботи.

Об'єкт досліджень - процеси перетворення енергії в асинхронному двигуні.

Предмет досліджень - характеристики асинхронного двигуна з урахуванням зміни властивостей сталі.

Методи досліджень. Під час розв'язання поставлених задач використовувались загальні методи теоретичної електротехніки; теорія електричних машин при аналізі схем заміщення асинхронного двигуна; теорія рядів Фур'є при визначенні гармонічних складових напруги, струму та потужності; чисельні методи розв'язання алгебраїчних та диференціальних рівнянь і їх систем при дослідженні математичних моделей; методи наближень, апроксимації та інтерполяції; математичне моделювання на ЕОМ та експериментальні дослідження для перевірки теоретичних положень і наукових результатів.

Наукова новизна одержаних результатів:

уперше одержані аналітичні вирази для миттєвої потужності на індуктивному елементі, які дозволяють аналізувати енергетичні режими асинхронного двигуна на базі схем заміщення з урахуванням нелінійності характеристики намагнічування і явища гістерезису;

теоретично обґрунтовано, що, на відміну від відомих методів, введення до контуру намагнічування схеми заміщення асинхронного двигуна додаткової е.р.с., яка характеризує режим насичення сталі, дозволяє з використанням рівнянь миттєвої потужності визначити нелінійну залежність індуктивності від струму цього контуру;

уперше запропоновано метод визначення втрат у сталі статора асинхронного двигуна з використанням еквівалентної е.р.с., який, на відміну від існуючих, враховує гармонічні складові, що характеризують явище насичення сталі.

Практичне значення одержаних результатів.

Представлені в дисертаційній роботі теоретичні розробки дозволили:

розробити і рекомендувати до застосування спосіб розрахунку кривої намагнічування та визначення втрат у сталі за складовими миттєвої потужності на основі експериментальних даних струму і напруги статора АД;

створити й рекомендувати для практичної реалізації програмне забезпечення для проведення експериментальних досліджень при визначенні втрат у сталі асинхронного двигуна;

запропонувати спосіб керування напругою статора асинхронного двигуна у системі частотно-реґульованого привода, що дозволяє забезпечити підвищення пускового моменту, зменшення втрат у сталі статора АД за рахунок зниження впливу вихрових струмів.

Результати роботи пройшли експериментальну перевірку в умовах дослідних лабораторій Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського та впроваджені у математичне та програмне забезпечення систем керування частотно-реґульованим електроприводом ТОВ «Семіол» (м. Кривий Ріг), ЗАТ «Атом» (м. Кременчук), що підтверджується відповідними актами впровадження.

Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі кафедри систем автоматичного управління та електропривода КДПУ імені Михайла Остроградського у рамках викладання лекційних, практичних і лабораторних занять з дисциплін „Моделювання електромеханічних систем”, “Системи управління електроприводами”, виконанні курсового і дипломного проектування при навчанні студентів спеціальностей «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод», «Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв».

Особистий внесок здобувача. Здобувач самостійно сформулювала задачі дослідження, наукову новизну отриманих результатів, виконала теоретичну частину роботи, брала безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [1, 2] - розроблено математичний апарат для аналізу енергетичних процесів в асинхронному двигуні з урахуванням насичення сталі; [6, 7] - досліджено зміну характеристик асинхронного двигуна з урахуванням збільшення вихрових струмів; [8] - розроблено математичну модель щодо визначення впливу нелінійності кривої намагнічування на характеристики асинхронного двигуна; [9] - запропоновано підхід щодо визначення втрат у сталі асинхронного двигуна з урахуванням її насичення; [10] - отримані залежності загального вигляду для індуктивного елемента з урахуванням нелінійності та явища гістерезису; [11] - запропоновано схему заміщення асинхронного двигуна для визначення впливу явища гістерезису на характеристики машини; [13] - запропоновано спосіб визначення параметрів асинхронного двигуна у ненасиченому режимі.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародних науково-технічних конференціях “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (м. Кременчук, 2003-2008 рр.), Всеукраїнських науково-технічних конференціях молодих учених та спеціалістів “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (м. Кременчук, 2003-2008 рр.), XIII Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика”(м. Одеса, 2006 р.), XVI Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (м. Дніпродзержинськ, 2007 р.), X Міжнародній конференції „Проблеми сучасної електротехніки - 2008” (м. Київ, 2008 р.).

Результати дисертаційної роботи, починаючи з 2003 року, представлялись і обговорювались на науково-технічному семінарі „Електромеханіка, проблеми енергоперетворення та енергоресурсозбереження” КДПУ імені Михайла Остроградського при Науковій Раді НАН України з комплексної проблеми „Наукові основи електроенергетики”.

Дисертаційна робота обговорювалась на розширеному семінарі відділу електромеханічних систем Інституту електродинаміки НАН України (протокол № 7 від 10.12.2008 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 13 друкованих працях, з них 12 - наукові статті у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 1 - деклараційний патент України. Чотири наукові роботи опубліковано без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації складає 230 сторінок друкованого тексту та містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел і 5 додатків. Основну частину викладено на 168 сторінках. Список використаних джерел складається із 115 найменувань та займає 13 сторінок. Дисертація містить 101 рисунок і 19 таблиць, з них 32 рисунка та 3 таблиці повністю займають 16 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи і показано зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету та основні задачі дослідження, наведено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.

У першому розділі проведено аналітичний огляд надійності електричних машин і зазначено, що на кожному етапі „життєвого циклу” АД існують причини, які призводять до погіршення їх характеристик (рис. 1).

Аналіз збільшення аварійності та зростання обсягу ремонтних робіт проведено на основі даних Криворізького металургійного комбінату „Мітал Стіл” за 2005-2007 рр., результати яких свідчать, що однією з причин зростання аварійності є зміна характеристик магнітної системи АД, що призводить до збільшення втрат у сталі електричної машини, погіршенню її теплового стану і, як наслідок, пробою ізоляції обмотки.

Аналіз літературних джерел дозволив виявити основні недоліки існуючих методів урахування втрат у сталі. Так, до складу аналітичних залежностей для визначення втрат у сталі входить ряд коефіцієнтів, які варіюються у відомих межах, але їх значення не є визначеним для окремого двигуна. Експериментальні методи оцінювання втрат у сталі справедливі лише для її зразків, а не для осердя двигуна. Відомий метод визначення втрат у сталі, який базується на проведенні досліду неробочого ходу, дає позитивні результати за умови роботи АД на лінійній ділянці кривої намагнічування і потребує корекції для врахування насичення сталі. Крім цього, слід відзначити існування ряду моделей, які за допомогою еквівалентного активного опору контуру намагнічування враховують втрати у сталі під час розрахунку характеристик АД. Але у зв'язку з ускладненням математичного опису більшість з відомих моделей нехтують урахуванням нелінійності електротехнічної сталі, явищами вихрових струмів та гістерезису, які призводять до збільшення втрат у сталі та погіршення теплового стану АД. Таким чином, була доведена необхідність коригування схеми заміщення АД для врахування факторів, що погіршують стан магнітної системи електричної машини.

У другому розділі проведено аналіз енергетичних процесів, що відбуваються в АД з урахуванням нелінійності кривої намагнічування. Доведено, що під час використання інтегральних методів оцінювання енергетичних режимів відбувається втрата інформації, що міститься у різночастотних складових потужності. Використання апарату миттєвої потужності при аналізі схеми заміщення АД, дозволяє уникнути її втрати та підвищити точність розрахунків енергетичних процесів з урахуванням наявності нелінійних елементів.

У зв'язку з цим у роботі уперше одержані аналітичні вирази для складових миттєвої потужності на індуктивному елементі, які дозволяють аналізувати енергетичні режими АД на базі схем заміщення з урахуванням нелінійності характеристики намагнічування і явища гістерезису.

Так, при протіканні струму

та за умови врахування явища гістерезису індуктивність контуру, що має властивість намагнічуватись, дорівнює:

Тоді миттєва потужність на індуктивності буде:

де у виразах (1)-(3) , - амплітудні значення струму і індуктивності відповідно; , - амплітудні значення похідної струму і індуктивності відповідно; - номера гармонік струму; - номера гармонік індуктивності; , - номера гармонік похідної струму і індуктивності, які враховують різночастотні компоненти потужності; - постійна складова індуктивності; індекс «» - відповідає косинусній складовій; «» - синусній складовій.

Миттєву потужність з урахуванням лише нелінійності отримуємо з залежності (3) за умови, що синусна складова індуктивності у (2) не враховується.

Аналіз отриманих результатів показав, що при нелінійному характері індуктивного елемента втрати потужності на елементі відсутні (постійна складова дорівнює нулю). У разі „гістерезисного” виду індуктивності в елементі виникнуть втрати, які залежать від струму і частоти.

Однією з характеристик АД, яка описує фізичні властивості магнітної системи машини, є нелінійна характеристика індуктивного елемента контуру намагнічування. Слід зазначити, що ряд задач експлуатаційного характеру вимагає точного знання параметрів і характеристик двигуна з урахуванням нелінійності кривої намагнічування сталі машини. Серед них формування пускових характеристик (системи SoftStart), яке основане на керуванні магнітним потоком у перехідному режимі; настроювання реґуляторів системи керування при реалізації векторного способу частотного керування; реалізація енергетичних систем на базі асинхронних генераторів; розробка методів і систем керування з мінімізацією втрат та ін.

В роботі, з використанням апарату миттєвої потужності, запропоновано підхід, який дозволяє за умови відсутності додаткових технічних засобів для реалізації дослідів визначити нелінійну характеристику індуктивності контуру намагнічування. Вихідними даними є миттєві значення напруги і струму статора, а також параметри схеми заміщення у ненасиченому стані. Послідовність розв'язання цієї задачі наведено на рис. 2, де прийняті наступні позначення: , , - миттєва потужність джерела живлення, індуктивності та активного опору відповідно; - миттєва потужність постійної складової індуктивності; - змінна складова індуктивності контуру намагнічування; - косинусна складова індуктивності; - синусна складова індуктивності; - потокозчеплення.

Рис. 3. Залежність індуктивності від струму: - задана залежність;

---- - залежність, отримана за запропонованим методом;

- залежність, отримана без урахування різночастотних складових.

Для перевірки запропонованого методу проведено дослідження з метою отримання нелінійної залежності індуктивності котушки зі стальним осердям (рис. 3).

Аналіз отриманих результатів підтвердив коректність математичного апарату щодо визначення нелінійної характеристики та показав, необхідність урахування різночастотних складових. Для оцінювання адекватності моделі використовувався коефіцієнт детермінації , який за результатами досліджень дорівнює приблизно =96,3 %.

У зв'язку з тим, що рядом авторів при дослідженнях не враховується той факт, що гармоніки струму, які формуються у контурі намагнічування, замикаються за двома колами - статорному і роторному, у роботі проведений аналіз експериментальних даних виміряних струмів і напруги АД (для досліду неробочого ходу) який показав, що рівень гармонік струму у первинному колі двигуна незначний навіть при напрузі, яка перевищує номінальну. Це дозволяє зробити висновок, що гармоніки, які виміряні у статорному колі, є лише частиною загальної складової. У зв'язку з цим запропоновано аналізувати роботу асинхронного двигуна наступним чином:

аналіз схеми заміщення при допущенні лінійності індуктивного опору контуру намагнічування;

аналіз схеми заміщення з урахуванням нелінійності контуру намагнічування.

У першому випадку схема заміщення асинхронного двигуна є типовою і містить джерело напруги (рис. 4, на якому прийняті такі позначення: - активний та індуктивний опори статорного, роторного контуру та контуру намагнічування відповідно; - струм кола; - напруга живлення; - ковзання). Розрахунок втрат у сталі для такої схеми необхідно проводити у функції е.р.с. , яка наводиться в колі струмом, що змінюється у часі. У цьому випадку е.р.с. знаходиться як:

,

де - загальний опір статорного кола.

Такий підхід щодо визначення втрат у сталі враховує активний опір та індуктивність розсіювання обмотки, нехтування якими при аналізі роботи асинхронного двигуна призводить до похибок у розрахунках.

Для дослідження режимів роботи АД зі зміненими параметрами магнітної системи при нелінійному характері кривої намагнічування запропонована схема заміщення, яка містить джерело е.р.с., що формує вищі гармонічні складові струмів (рис. 5), на якій індекс відповідає номеру гармоніки. Для схеми на рис. 5 характерним є живлення не від джерела напруги, а від джерела е.р.с., яке утворюється в результаті зміни індуктивності контуру намагнічування.

Для схеми заміщення АД з джерелом е.р.с. у контурі намагнічування отримуємо:

; .

Е.р.с. вищих гармонік розраховується наступним чином:



Аналізуючи вираз (4) та враховуючи, що в електричній машині для всіх гармонік , , а також , отримуємо, що у насиченій системі . Оскільки величина індуктивного опору контуру намагнічування значна, результатом цього є невисокий рівень гармонік струму у статорному контурі, які формуються додатковою е.р.с. . В зв'язку з тим, що гармоніки струму статора не повною мірою відображають ступінь насичення сталі, це призводить до помилкових висновків під час оцінювання енергетичних режимів АД.

У роботі теоретично обґрунтований підхід щодо визначення втрат у сталі з урахуванням її насичення. Втрати у сталі визначені як швидкість зміни індукції у осерді або . При цьому індукція представляється у вигляді гармонічного ряду:

,

де - кутова частота напруги живлення; - час.

Тоді:

З урахуванням наведених виразів втрати у сталі розраховуються як:

Інтегруючи (5) та враховуючи, що інтеграл на періоді від гармонічної функції дорівнює нулю, отримуємо втрати у сталі у вигляді:

або

де

Проведені у роботі експериментальні дослідження щодо оцінки втрат в сталі для котушки зі стальним осердям, а також для АД підтвердили теоретично обґрунтований вид залежності (6), що показаний на рис. 6.

У третьому розділі проведено дослідження впливу властивостей магнітної системи, а саме нелінійності кривої намагнічування, збільшення вихрових струмів на характеристики асинхронного двигуна. Для цього розроблена відповідна математична модель у трифазній системі координат і проведені дослідження характеристик АД з урахуванням нелінійності кривої намагнічування. Оцінювання адекватності математичної моделі проводилось шляхом порівняння отриманих результатів з експериментальними даними. На основі аналізу статичних і енергетичних характеристик проведено оцінювання відносного відхилення параметрів з урахуванням кривої намагнічування від аналогічних параметрів без її врахування. У табл. 1 наведені результати порівняння, де менша величина відповідає номінальному режиму, а більша - режиму неробочого ходу. Знак „+” указує на збільшення параметра при врахуванні кривої намагнічування, „-” - на його зменшення. Слід зазначити, що врахування кривої намагнічування найбільше впливає на зміну розрахункових значень струму статора, струму намагнічування, сумарних втрат і втрат у сталі.

Проведені дослідження показали, що вид кривої намагнічування суттєво впливає на форму кривих струму статора й електромагнітного моменту. При цьому з підвищенням крутизни характеристики кривої намагнічування збільшуються високочастотні змінні складові електромагнітного моменту. За результатами гармонічного аналізу кривих струму при різних рівнях напруги доведено зростання гармонік струму в контурах схеми заміщення при роботі у режимі неробочого ходу, що необхідно враховувати під час розрахунку втрат в обмотках.

У випадку, коли двигун пройшов капітальний ремонт, характеристики електротехнічної сталі змінюються у результаті часткового руйнування міжлисткової ізоляції біля кромок зубців і т.д. Результатом цього є суттєве зростання втрат від вихрових струмів, які індукуються основним магнітним потоком. У роботі обґрунтовано схему заміщення АД, яка враховує це явище, та проведений аналіз впливу вихрових струмів на характеристики АД. У схему введений коефіцієнт вихрових струмів , який враховує їх збільшення під час тривалої експлуатації або ремонтних операцій (при їх величина не перевищує значення, яке установлене підприємством-виробником) та пов'язаний з індуктивностями розсіювання схеми заміщення АД. Його визначення можливе у результаті ідентифікації електромагнітних параметрів електричної машини за допомогою відомих методик. Коефіцієнт , де , - величина індуктивного опору статора на момент діагностування двигуна та його номінальне значення відповідно. Величина залежить від кількості та ступеня локальних пошкоджень міжлисткової ізоляції пакета сталі у зубцевій зоні.

У результаті ремонтних операцій змінюється площа динамічної петлі гістерезису, яка характеризує втрати у сталі асинхронного двигуна. У роботі запропонована математична модель, яка дозволяє варіювати шириною петлі гістерезису для дослідження її впливу на характеристики асинхронного двигуна.

Як було зазначено, в останні роки найбільш поширеним є частотно-реґульований асинхронний електропривод. Реґулювання його швидкості відбувається з використанням скалярного або векторного керування. Однак для більшості практичних застосувань таких приводів потрібний відносно невеликий діапазон реґулювання швидкості та відносно низька швидкодія. Це робить доцільним використання класичних структур скалярного керування. У зв'язку з цим у роботі розроблена система керування АД та синтезована математична модель для випадку скалярного частотного керування з урахуванням дії вихрових струмів, яка описується наступною системою рівнянь:

де , , , , , - миттєві значення фазних напруг і струмів статора та ротора за осями , відповідно; - потокозчеплення ротора за віссю ; - кількість пар полюсів двигуна; , - сталі часу статорної та роторної обмоток; ; ; ; - кутова частота обертання координатної системи; - кутова частота обертання ротора.

В існуючих електроприводах використовується - компенсація для збільшення магнітного потоку, що викликано падінням напруги на активному і індуктивному опорах статора. Як відомо, вихрові струми ослаблюють основний магнітний потік, тому для його стабілізації запропоновано скоригувати спосіб частотного керування у вигляді , де відповідає підвищенню напруги і, як наслідок - збільшенню магнітного потоку для компенсації негативної дії вихрових струмів. Зміна напруги живлення, яка враховує дію вихрових струмів у сталі статора АД та його момент опору відбувається за отриманою залежністю . Вирази для знаходження коефіцієнтів , , , знайдені у вигляді поліномів третього ступеня, наприклад, .

Аналіз динамічних характеристик показав, що вихрові струми призводять до зменшення пускового моменту, збільшення часу пуску. Застосування скоригованого способу частотного керування дозволяє досягти позитивних результатів щодо збільшення пускового моменту АД, зменшення втрат в сталі, а також стабілізувати швидкість обертання АД в системі привода на необхідному рівні з похибкою стабілізації, що не перевищує 0,5%, при цьому час перехідного процесу зменшується приблизно на 12%. Слід відзначити зростання енергоспоживання у пусковому режимі при збільшенні коефіцієнта вихрових струмів, яке може бути зменшено до 7 % у разі використання скоригованого способу частотного керування.

У четвертому розділі розглянуте питання визначення втрат у сталі АД при збільшенні напруги живлення (рис. 7) з використанням комп'ютеризованих вимірювально-діагностичних комплексів.

Доведена неадекватність оцінки втрат у сталі АД у функції квадрата напруги живлення та показано їх збільшення при зростанні вихрових струмів. Представлені результати експериментальних досліджень, щодо урахування нелінійності кривої намагнічування під час визначення моменту і швидкості асинхронного двигуна (рис. 8).

Порівняння експериментальних кривих з кривими, отриманими на математичній моделі, показало високий ступінь збігу результатів, що пояснюється врахуванням в математичній моделі нелінійності кривої намагнічування.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі отриманих теоретичних і експериментальних результатів вирішене актуальне наукове завдання удосконалення методів визначення втрат у сталі статора при дослідженні характеристик АД з урахуванням зміни параметрів магнітної системи у результаті ремонтних операцій або під час тривалої експлуатації, що дозволяє підвищити ефективність використання двигунів. Виконані у дисертаційній роботі дослідження дозволяють сформулювати такі висновки:

Доведено, на базі аналізу існуючих методів визначення втрат у сталі АД, необхідність розробки підходу, що дозволить урахувати збільшення втрат від вихрових струмів та нелінійність кривої намагнічування при визначенні параметрів і характеристик двигунів під час створення, проектування та виробництва систем енергозбереження на основі АД.

Одержані вирази миттєвої потужності на індуктивному елементі за наявності нелінійності характеристики намагнічування та явища гістерезису, що призвело до підвищення точності розрахунків нелінійної характеристики індуктивності контуру намагнічування АД.

Запропоновано математичний апарат для визначення кривої намагнічування асинхронної машини з використанням балансу миттєвої потужності, який на противагу існуючим, дозволяє врахувати вищі гармонічні струму, що з'являються у результаті насичення.

Обґрунтована необхідність уведення додаткової е.р.с. в контур намагнічування для розрахунку втрат у сталі статора асинхронного двигуна, що дозволило урахувати нелінійність кривої намагнічування, яка формує вищі гармоніки струму в силових колах.

Теоретично одержана та експериментально підтверджена аналітична залежність для оцінювання втрат у сталі АД в функції гармонічних складових е.р.с. та їх порядкового номеру, яка дозволяє врахувати насичення.

Обґрунтовані схеми заміщення, які дозволяють урахувати нелінійність кола намагнічування, вплив вихрових струмів, ширину петлі гістерезису, що дає можливість розрахувати характеристики машини з урахуванням змін параметрів магнітної системи асинхронного двигуна.

Одержано у результаті математичного моделювання, що вид кривої намагнічування суттєво впливає на форму кривих струму статора та електромагнітного моменту, при цьому крутизна характеристики кривої намагнічування, визначає високочастотні складові електромагнітного моменту.

Доведено, що застосування скоригованого, з урахуванням збільшення втрат в сталі від вихрових струмів, способу керування напругою статора АД у системі частотно-регульованого електропривода дозволяє стабілізувати швидкість обертання АД в системі привода на необхідному рівні з похибкою стабілізації, що не перевищує 0,5%, при цьому час перехідного процесу зменшується приблизно на 12%, а також підвищити пусковий момент та зменшити енергоспоживання до 7 % у режимі пуску.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується коректністю прийнятих у математичних моделях припущень та підтверджується збігом теоретичних положень з результатами математичного моделювання і даними експериментальних досліджень, позитивним впровадженням результатів роботи.

Розроблено і впроваджено програмне забезпечення для комп'ютерного обладнання, яке дозволяє реалізувати в автоматизованому режимі запропоновані методи визначення втрат у сталі асинхронних двигунів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Родькин Д. И. Энергопроцессы в асинхронном двигателе с насыщенной сталью / Д. И. Родькин, В. А. Мартыненко, Д. В. Барвинок, А. С. Гераскин // Проблеми створення нових машин і технологій: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. - 2002. - Вип. 1. - С. 174-180.

2. Родькин Д. И. Исследование степени насыщения стали асинхронного двигателя / Д. И. Родькин, А. П. Черный, В. А. Мартыненко, С. И. Тараненко, Д. В. Барвинок, А. С. Гераскин // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. -

3. Мартыненко В. А. Анализ нелинейной цепи со сталью с использованием энергетических критериев / В. А. Мартыненко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. - 2003. - Т. 1, Вип. 2 (19). - С. 167-170.

4. Мартыненко В. А. Анализ методов определения потерь в стали асинхронных двигателей / В. А. Мартыненко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. - 2003. - Вип. 4 (21). - С. 54-60.

5. Огарь В. А. Оценка нелинейности индуктивности катушки со сталью энергетическим методом / В. А. Огарь // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. - 2004. - Вип. 2 (25). - С. 78-84.

6. Родькин Д. И. Характеристики асинхронного двигателя с учетом старения стали / Д. И. Родькин, А. П. Черный, С. В. Сычев, В. А. Мартыненко // Щоквартальний науково-практичний журнал „Електротехніка і Електромеханіка”. - Харків: НТУ ”ХПІ”. - 2004. - № 1. - С. 53-56.

7. Родькин Д. И. О необходимости расширения объема исследований при испытаниях машин переменного тока / Д. И. Родькин, С. А. Сергиенко, В. А. Огарь, В. Я. Мастеровой // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. - 2005. - Вип. 4 (33). - С. 96-101.

8. Калинов А. П. Характеристики асинхронных двигателей с учетом нелинейности кривой намагничивания / А. П. Калинов, В. А. Огарь // Електромашинобудування та електрообладнання. «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика». - Одеса. - 2006. - Вип. 66. - С. 226-229.

9. Огарь В. А. Обоснование аналитической оценки потерь в насыщаемой стали асинхронного двигателя / В. А. Огарь, Д. И. Родькин, А. П. Калинов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. - 2007. - Вип. 4 (45). Частина 1. - С. 98-103.

10. Родькин Д. И. О разделении на составляющие потерь в стали электрических машин / Д. И. Родькин, В. А. Огарь, Ю. В. Ромашихин // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету: Зб. наук. праць. - Днепродзержинск: ДГТУ. - 2007. - С. 495-500.

11. Огарь В. А. Учет потерь в стали при оценке характеристик асинхронного двигателя / В. А. Огарь, Д. И. Родькин, А. П. Калинов // Технічна електродинаміка. - Науково-прикладний журнал. - Київ: ІЕД НАН України. - 2008. - Тематичний випуск. Ч. 7. - С. 31-35.

12. Огарь В. А. Влияние качества стали на характеристики системы привода с асинхронными двигателями / В. А. Огарь // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського: Зб. наук. праць. - Кременчук: КДПУ. - 2008. - Вип. 2 (50). Частина 2. - С. 41-45.

13. Деклараційний патент на винахід 62492 А Україна, G 01 R31/34. Спосіб випробування асинхронного трифазного двигуна з короткозамкненим ротором та пристрій для його реалізації / Родькін Д. Й., Мартиненко В. О., Чорний О. П., Тараненко С. І., Калінов А. П., Аміров А. М. - № 62492 А; заявл. 02.04.2003; опубл. 15.12.2004, Бюл. № 12.

АНОТАЦІЯ

Огарь В.О. Характеристики асинхронних двигунів при зміні властивостей сталі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. - Кременчуцький державний політехнічний університет імені Михайла Остроградського, Кременчук, 2009.

Дисертаційна робота присвячена питанню удосконалення методів оцінки втрат у сталі шляхом урахування зміни властивостей магнітної системи під час дослідження характеристик асинхронних двигунів.

В роботі проведено аналіз існуючих методів визначення втрат у сталі АД, який показав необхідність розробки підходу, що дозволяє провести їх оцінку з урахуванням нелінійності кривої намагнічування. У зв'язку з цим, запропонована схема заміщення АД з додатковою е.р.с. контуру намагнічування, яка враховує вищі гармонічні струму, що характеризують режим насичення. У роботі в загальному виді отримані залежності миттєвої потужності на індуктивному елементі з урахуванням нелінійності та явища гістерезису. Однією з характеристик АД, яка описує фізичні властивості магнітної системи машини, є нелінійна характеристика індуктивного елемента контуру намагнічування. Для її визначення, за умови відсутності додаткових технічних засобів для реалізації дослідів, на основі запропонованої схеми заміщення з додатковою е.р.с. у контурі намагнічування запропонований метод, вихідними даними для якого є миттєві значення напруги і струму, що вимірюються за допомогою комп'ютеризованого комплексу, а також параметри схеми заміщення у ненасиченому стані.

У роботі проведено дослідження впливу властивостей магнітної системи, а саме нелінійності кривої намагнічування, збільшення вихрових струмів на характеристики асинхронного двигуна. Запропонований скоригований закон частотного керування з урахуванням дії вихрових струмів, який дозволяє зменшити рівень енергоспоживання. Розглянуто питання побудови комп'ютеризованого вимірювально-діагностичного комплексу для експериментального визначення втрат у сталі та дослідження характеристик АД.

Ключові слова: характеристики асинхронних двигунів, втрати в сталі, складові миттєвої потужності, вихрові струми, нелінійна залежність індуктивності.



АННОТАЦИЯ

Огарь В.А. Характеристики асинхронных двигателей при изменении свойств стали. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - Электрические машины и аппараты. - Кременчугский государственный политехнический университет имени Михаила Остроградского, Кременчуг, 2009.

Диссертационная работа посвящена вопросу усовершенствования методов оценки потерь в стали путем учета изменений свойств магнитной системы при исследовании характеристик асинхронных двигателей.

Для этого в работе проведен анализ существующих методов определения потерь в стали АД, который позволил выявить их основные недостатки. Так, в состав аналитических зависимостей для определения потерь в стали входит ряд коэффициентов, варьируемых в известных пределах, но их значения не известны для каждого двигателя. Экспериментальные методы по оценке потерь в стали справедливы только для образцов, а не для сердечника двигателя. Известный метод определения потерь в стали, базирующийся на проведении опыта холостого хода, дает положительные результаты в случае работы АД на линейном участке кривой намагничивания. Кроме этого, следует отметить существование ряда моделей, которые с помощью эквивалентного активного сопротивления контура намагничивания учитывают потери в стали при расчете характеристик АД. Но, в связи со сложностью математического описания, большинство известных моделей пренебрегают нелинейностью электротехнической стали, вихревыми токами и явлением гистерезиса, которые приводят к росту потерь в стали и ухудшению теплового состояния АД. Таким образом была доказана необходимость корректировки схемы замещения АД для учета факторов, ухудшающих состояние магнитной системы электрической машины.

Анализ энергетических процессов, происходящих в асинхронном двигателе с учетом нелинейности кривой намагничивания, показал, что при использовании интегральных методов происходит потеря информации в форме разночастотных составляющих, что не позволяет в полной мере выявить те закономерности энергопреобразования, которые наблюдаются при наличии нелинейного элемента в системе. Этот факт позволил сделать вывод, что мгновенная мощность является одной из величин, которая позволяет правильно анализировать процессы, протекающие в асинхронном двигателе с учетом его насыщения. В связи с этим, для получения корректных результатов, отображающих особенности преобразования сигналов, в общем виде получены зависимости мгновенной мощности на индуктивном элементе с учетом нелинейности и явления гистерезиса.

Одной из характеристик АД, которая описывает физические свойства магнитной системы машины, является нелинейная характеристика индуктивного элемента контура намагничивания. Для ее определения при условии отсутствия дополнительных технических средств для реализации опытов, на основе предложенной схемы замещения с дополнительной э.д.с. в контуре намагничивания предложен метод, исходными данными для которого являются мгновенные значения напряжения и тока, которые измеряются с использованием компьютеризированного измерительно-диагностического комплекса, а также параметры схемы замещения в ненасыщенном режиме.

В работе проведены исследования влияния свойств магнитной системы, а именно, нелинейности кривой намагничивания, увеличения вихревых токов, а также эффекта вытеснения тока в роторе на характеристики асинхронного двигателя. Отмечено, что вихревые токи ослабляют основной магнитный поток, потому для его стабилизации предложено повышать напряжение питания для улучшения характеристик АД в составе частотно-регулируемого электропривода. В святи с этим, предложен скорректированный закон частотного управления с учетом действия вихревых токов, который позволяет уменьшить уровень энергопотребления, что является важным для предприятий, имеющих в своем составе парк электрических двигателей.

В работе рассмотрен вопрос построения компьютеризированного измерительно-диагностического комплекса для определения потерь в стали асинхронного двигателя. Кроме этого, с его использованием проведены экспериментальные исследования по учету нелинейности кривой намагничивания при определении характеристик двигателя. Сравнение экспериментальных кривых, полученных на математической модели, показало высокую степень совпадения результатов, которая значительно повышается при учете в математической модели нелинейности кривой намагничивания.

Ключевые слова: характеристики асинхронных двигателей, потери в стали, составляющие мгновенной мощности, вихревые токи, нелинейная зависимость индуктивности.



ABSTRACT

Ogar.V.О. Induction Motors Characteristics When Changing Steel Properties. - Manuscript.

Theses for a scientific degree of the candidate of technical sciences in speciality 05.09.01 - electrical machines and devices. - Kremenchuk Mykhailo Ostrogradskyi State Polytechnic University, Kremenchuk, 2009.

The theses deal with the problem of advancing the steel estimation methods with taking into account magnetic system properties changing during induction motor characteristics investigation.

The paper presents the analysis of existing techniques for IM iron loss determination. It has proved the necessity of the development of the technique for the iron loss estimation taking into account the magnetization curve nonlinearity. The IM equivalent circuit has been proposed with the additional e.m.f. of the magnetization loop. The circuit takes into account higher current harmonics characterizing the saturation duty. The paper presents the dependencies of the instantaneous power on the inductive element including nonlinearity and hysteresis. One of the IM characteristics describing the physical properties of the machine magnetic system is a nonlinear characteristic of the inductive element of the magnetization loop. So the proposed technique is based on the instantaneous voltage and current and parameters of the non-saturated equivalent circuit to determine the nonlinear characteristic of the inductive element of the magnetization loop, when there is no additional technical tool for testing. The instantaneous voltage and current are measured with the computer-based complex

The effect of the magnetic system properties such as the magnetization curve nonlinearity and Eddy currents increasing on the induction motor characteristics has been investigated. To decrease the energy consumption, the corrected pattern for the frequency control has been proposed taking into account Eddy currents effect. The problem of the computer-based measuring and diagnostic complex design for the experimental determination of the IM iron loss and characteristics has been considered.

Key words: induction motor characteristics, iron loss, instantaneous power components, Eddy currents, nonlinear dependency of inductance.

Размещено на Allbest.ru

...