Введение. К асинхронным двигателям (АД) предъявляются высокие требования по энергоэффективности, уровню шума, величине добавочных потерь и др. Для управления работой АД все чаще применяются преобразователи частоты (ПЧ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения при несущей частоте модуляции до десятков килогерц. В выходном напряжении ПЧ появляются высокочастотные временные гармоники.

Обмотка статора - важнейшая часть асинхронного двигателя, определяющая его свойства и характеристики [14]. Применение АД общепромышленного исполнения с числом пар полюсов p>2 и изоляцией обмотки статора (ОС), рассчитанной на номинальное фазное напряжение U_Ф1Н при номинальной частоте f_1Н = 50 Гц, в современных частотно-регулируемых электроприводах (ЧРЭ) может оказаться затруднительным, так как при регулировании частоты вращения (ЧВ) АД вверх по пропорциональному закону, обеспечивающему оптимальные условия работы АД [3, 4]

U_Ф1/f₁ = const, (1)

с повышением f₁ необходимо повышать U_Ф1. Это может оказаться неприемлемым по условиям обеспечения требуемой электрической прочности изоляции ОС при повышении напряжения и/или ограничения максимального напряжения, получаемого из промышленной сети [6]. В этих условиях применяются специальные более дорогие частотно-регулируемые АД с усиленной изоляцией, что удорожает систему в целом.

С повышением частоты индуктивные сопротивления обмоток АД возрастают. Это меняет параметры машины. Для эффективной работы АД в ЧРЭ целесообразна модернизация структуры и схем обмоток статора с учетом особенностей работы со спектром высокочастотных временных гармоник питающего напряжения. Поэтому модернизация обмотки статора АД для повышения эффективности ЧРЭ является актуальной.

Теоретическое обоснование. Современные ПЧ имеют диапазон регулирования f₁ и функции свободного управления вольт-частотной характеристикой (ВЧХ), что позволяет менять механические и электромеханические характеристики системы [1]. Однако если многополюсные АД общепромышленного исполнения имеют в ОС небольшое число параллельных ветвей а (а_мин = 1), то путем модернизации схемы соединений частей ОС с увеличением а' можно эффективно применять такие АД на повышенных частотах f₁', но с меньшей степенью повышения U_Ф1' без опасения пробоя изоляции. Это позволяет реализовать ЧРЭ при изменении функции управления U_Ф1 за счет внесения изменения в схему подключения секционных групп фаз ОС серийно выпускаемых АД, повышая ЧВ и мощность.

При повышении f₁ при том же числе пар полюсов р увеличивается синхронная ЧВ двигателя n и ЭДС в витках секционных групп фазы ОС E_СГ. Пренебрегая падением напряжения на сопротивлении обмотки и считая E_СГ ? U_СГ, амплитудное значение магнитного потока АД должно быть постоянным:

(2)

где U_СГ - напряжение, прикладываемое к одной секционной группе; W_СГ - число витков в секционной группе; k_ОБ1 - обмоточный коэффициент для статора.

Это приводит к необходимости увеличения числа параллельных ветвей обмотки a пропорционально увеличению f₁, поскольку

(3)

где U_Ф1 - напряжение фазы статора; n_сл - число слоев ОС.

Так как в двигателях серии АИР толщина пазовой изоляции и изоляции обмоточных проводов в пределах одного и того же диапазона высот вращения не изменяется для АД¹ с различным а, то образующееся превышение межвиткового напряжения не будет критичным. Поэтому если в ОС с а = 1 симметричные части обмотки пересоединить на большее а' (в пределах допустимого по числу секционных групп с соблюдением симметрии размещения секций и допустимого увеличения синхронной ЧВ магнитного поля) при сохранении р и увеличить f₁ в кратное количество раз, то результирующая ЭДС и необходимое номинальное U_Ф1 останутся неизменными. Таким образом, при повышении f₁ и увеличении а, без изменения U_Ф1 снижается число последовательно соединенных витков ОС. При этом ЧВ возрастает, Ф_m не изменяется и, так как U_Ф1 остается неизменным, обеспечивается прежняя электрическая прочность изоляции ОС.

ЧРЭ с АД чаще всего настраивается на режим поддержания максимального момента, для чего в диапазоне частот f₁ ? f_1ном реализуется ВЧХ, соответствующая (1). Но в диапазоне частот f₁ > f_1ном поддерживается U₁ = U_1ном, что связано с ограничением максимально возможного напряжения. Кроме того, в ПЧ могут реализовываться разные способы IR-компенсации [5].

Реализация в современных ПЧ функции управления видом ВЧХ позволяет в диапазоне f₁ ? f_1ном настраивать программируемую зависимость U₁ = F (f₁). Для рассматриваемой модернизации достаточно изменения коэффициента соотношения U₁/f₁ (рис.1), а параметры IR-компенсации скорректировать в функции автоопределения электрических параметров двигателя [7].

Применение ШИМ с несущей частотой до 40 кГц вызывает в обмотках АД волновые процессы и перенапряжения. Поэтому обмотка частотно-регулируемого АД должна иметь более надежную изоляцию и более высокую степень пропитки.

Рис. 1. ВЧХ ПЧ при U₁/f₁ = const: 1 - при стандартной настройке; 2 - при кратном уменьшении соотношения U₁/f₁ на величину a'/a

Для исследования были выбраны АД серии АИР, в которых в независимости от полюсности обмотки применяются подшипники с ЧВ не менее 3000 об/мин Петриков Л.В., Корначенко Г.Н. Асинхронные электродвигатели: Обмоточные данные. Ремонт. Модернизация / Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 496 с. [2]. Для АД АИР160S6 (р = 3) с синхронной n = 1000 об/мин при модернизации на повышенную n = 3000 об/мин возможно пересоединение симметричных частей ОС и образование a'=3 при сохранении неизменным р. Это является допустимым исходя из условия симметрии электрических параметров параллельно соединяемых ветвей, поскольку у соседних полюсов разная высота укладки в пазы по слоям.

Так как сечение проводников ОС в модернизируемых АД и требования к допустимой плотности тока остаются неизменными, а общий ток фазы пропорционален a', номинальная мощность машины P_ном может быть увеличена в кратное число раз. При этом может потребоваться изменение сечения проводов соединения концов секционных групп, концов фаз и диаметра шпилек (или болтов) выводного устройства.

Номинальный момент на валу двигателя M_ном при работе на повышенной мощности и повышенной n_ном в условиях незначительных изменений номинального скольжения s_ном остается практически таким же, как и до модернизации [6]:

(3)

Увеличение f₁ в а'/а раз при снижении числа витков последовательно соединенных в фазе ОС в а' раз и образованием а' параллельных ветвей приводит к уменьшению индуктивных сопротивлений эквивалентной схемы замещения в а' раз, уменьшению активного сопротивления обмотки статора и приведенного активного сопротивления ротора в а'² раз. При том же U_Ф1 максимальный момент двигателя M_max сохраняется тем же:

(4)

M_max может изменяться из-за изменения индуктивного сопротивления Х_К при насыщении зубцовых зон, что может быть ограничено уставкой ПЧ по максимальному току [5, 6]. Критическое скольжение s_кр снижается в а' раз, и следовательно, при M_ном пропорционально снизится номинальное скольжение s_ном. Поэтому используемые диаметры вала АД будут оставаться соответствующими требованиям по механической прочности и изменения диаметров не требуется. Допустимый прогиб вала на n ? 3000 об/мин не превышает размера, соответствующего минимальной величине воздушного зазора для машин серии АИР, поэтому расточка магнитопровода не нужна.

При работе АД при повышенных f₁ и n возрастают шумы и вибрации [8], однако при правильном подборе соотношения числа пазов статора и ротора изменение шумов и вибраций будет ограниченным.

Изменение подключения секций ОС, подразумевающее увеличение a', влечет за собой следующие основные виды производимых работ: разбор корпуса без выпрессовки подшипников; демонтаж проводов соединения концов обмотки к болтам или шпилькам коробки выводов; выявление мест перехода обмотки на следующую секционную группу в каждой фазе; обеспечение разрыва на требуемых участках непрерывной обмотки; освобождение краев обмоточного провода от изоляции; пайка или сварка образовавшихся концов с проводами выводов обмотки или соединительными наконечниками; крепление провода и бандажирование. Для двигателей АИР средней и большой мощности требуется изменение коробки выводов, а также проверка соответствия болтов крепления к установочной поверхности. Модернизация АД заканчивается сборкой и испытаниями [9].

При частоте 50 Гц в обмотке статора используются элементарные проводники диаметром (высотой) не более 2,5 мм - соотнесено с глубиной проникновения электромагнитной волны

, (5)

где - удельное электрическое сопротивление материала, Омм; ₀ - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; - относительная магнитная проницаемость материала, о. е.

При несущей частоте ШИМ 10-40 кГц, т.е. в 200-800 раз выше частоты 50 Гц, размер таких проводников оказывается много больше глубины проникновения электромагнитной волны. Это приводит к сильно выраженному вытеснению высших гармоник тока на поверхность проводника, что эквивалентно увеличению его активного сопротивления и ведет к дополнительным потерям в обмотке, повышенному энергопотреблению и перегреву обмотки. Коэффициент Фильда - коэффициент увеличения активных потерь за счет вытеснения тока в проводниках обмотки статора АД при частотах уже 500 Гц, может превышать 2 [15].

Число элементарных (параллельно включенных) проводников в одном эффективном проводнике обмотки статора АД обычно не превышает 10-12. Снижение тока параллельной ветви и, соответственно, сечения эффективного проводника можно добиваться увеличением числа параллельных ветвей обмотки. При том же числе элементарных проводников в одном эффективном сечение элементарного проводника будет пропорционально снижаться. Однако увеличение числа параллельных ветвей обмотки статора возможно только до определенных пределов, определяемых числом симметричных частей обмотки, и обычно не превышает 6.

Снижения отрицательного проявления эффекта вытеснения тока на поверхность паза, заключающегося в возникновении циркуляционных токов между параллельно включенными проводниками, находящихся в разных магнитных условиях по высоте паза, можно добиваться транспозицией проводников. Но для АД транспозиция проводников обмотки не выполняется.

Таким образом, для эффективного применения в частотно-регулируемом электроприводе асинхронных двигателей общепромышленного исполнения с увеличенной частотой питающего напряжения может оказаться целесообразной модернизация схемы обмотки статора с увеличением числа параллельных структур обмотки (числа параллельных ветвей и числа элементарных проводников в одном эффективном), снижением числа последовательно соединенных витков фазы при сохранении числа пар полюсов и величины фазного напряжения, что позволит сохранить электрическую прочность изоляции обмотки статора и величину магнитного потока, повысить мощность двигателя и КПД, снизить номинальное и критическое скольжения.

Методы исследования. Для определения параметров выпускаемых серийно АД в условиях ограниченной информации в справочных материалах и получения новых характеристик при внесении изменений в параметры АД использовалась система проектирования по схемным моделям АД с короткозамкнутым ротором, базирующаяся на известной методике [10]. Для проверки результатов математических расчетов использовалось моделирование электромагнитного состояния модернизированного АД методом конечных элементов [11]. Для оценки рентабельности проводимой модернизации использовался метод оценки затрат при капитальном ремонте АД [12], а также метод сравнения стоимости выбираемых АД серии АИР до вмешательства в схему ОС [4, 9].

Моделировалась и анализировалась модернизация схемы обмотки статора АД АИР160S6 с изменением P_ном от 11 до 33 кВт и кратного увеличения синхронной n с 1000 об/мин при f₁ = 50 Гц до 3000 об/мин при f₁'= 150 Гц. Для определения характеристик модернизируемого АД в расчетный модуль вносились необходимые изменения. Для уточнения результатов математических расчетов по схемным моделям осуществлялась их поверка на полевых конечноэлементных электромагнитных моделях модернизированного АД.

Результаты исследования. Результаты расчета рабочих характеристик модернизированного АД в сравнении с исходным двигателем АИР160S6 до модернизации, а также с аналогами АД с синхронной n = 3000 об/мин и мощностью, близкой к расчетной мощности, приведены в таблице.

Рассчитанные электромагнитные и электромеханические параметры АД с модернизированной схемой ОС соответствуют теоретическим предпосылкам. Изменение коэффициента Фильда [10] не оказало существенного влияния на величину сопротивления ОС и не столь существенно, как предполагалось, повлияло на активное сопротивление обмотки ротора, что, в свою очередь, значительно уменьшило величины s_ном и s_кр и, как следствие, величину тепловых потерь в обмотках при работе в пределе номинальной мощности.

С использованием результатов полевых расчетов рассчитаны рабочие и механические характеристики АД при U_1ном и f₁ = 150 Гц. Отклонение полученных результатов, по сравнению с представленными в таблице данными, составило не более 2,6 %, для КПД - 0,5 %.

Сравнение показателей АД до и после модернизации обмотки статора и с аналогами

Рис.2. Соотношение стоимости серийно выпускаемого АД серии АИР и аналогичного АД меньшей мощности и частоты вращения до модернизации схемы ОС

Общий объем работ по модернизации АД с изменением схемы ОС с учетом улучшения охлаждения при выполнении их сторонними организациями составляет 50-60 % от начальной стоимости АД [9]. При наличии собственного ремонтного производства цена модернизации АД уменьшается. Поэтому нижней границей рентабельности предлагаемой модернизации АД с изменением схемы ОС по капитальным вложениям при выполнении ее сторонними организациями или за счет своего ремонтного производства можно считать соотношение стоимости обычно выбираемых АД серии АИР и их аналогов меньшей мощности и n до вмешательства в схему ОС (рис.2) равным 1,5±0,1.

Внесение изменений в конструкцию АД на стадии его производства заводом-изготовителем будет соответствовать нижней границе рентабельности 1,15±0,05 [9].

Для частотно-регулируемого АД [16], предназначенного для работы от ПЧ с ШИМ напряжения, целесообразно выполнять обмотку статора из токопроводящих жгутов, состоящих из множества элементарных изолированных проводников, опрессованных в общую витковую изоляцию и закрученных на определенный угол либо подвергнутых транспозиции по высоте паза. Диаметр каждого элементарного проводника не должен превышать двойной глубины проникновения электромагнитного поля для гармоник, соответствующих несущей частоте ШИМ. Это устраняет эффект вытеснения высших гармоник тока на поверхность проводника и возрастание омического сопротивления, при этом дополнительные потери в обмотке не возрастают.

Обсуждение. Анализ полученных данных (см. таблицу и рис.2) показывает, что модернизация схемы обмотки статора АД серии АИР с увеличением числа параллельных ветвей обмотки, кратным снижению числа последовательно соединенных витков фазы, при сохранении числа пар полюсов, при пропорциональном увеличении частоты питающего напряжения и неизменном фазном напряжении позволяет сохранить величину магнитного потока, повысить мощность АД и его КПД, снизить номинальное и критическое скольжения.

Выявлено, что при расчетной мощности электропривода не менее 11 кВт подобная модернизация схемы обмотки статора АД меньшей мощности с 2р = 4 или 2р = 6 позволяет достичь стоимости АД меньшей, чем стоимость АД с n ? 3000 об/мин. Модернизация схемы обмотки статора для АД с 2р = 8 по стоимостным показателям менее эффективна и актуальна в диапазоне мощностей 37-75 кВт.

Для АД АИР160S6 модернизация схемы обмотки статора с увеличением в три раза числа параллельных ветвей обмотки и повышением частоты напряжения до 150 Гц с изменением параметров ВЧХ может обеспечить повышение номинального КПД АД до 3 %, по сравнению с его аналогами на ту же частоту вращения, что объясняется уменьшением s_ном. По сравнению с аналогами, по мощности и частоте вращения АИР160S6ПЧ150 имеет меньшие массогабаритные показатели и оценочную стоимость, что важно для повышения быстродействия.

К недостаткам модернизации схемы обмотки статора АД АИР160S6 можно отнести несколько сниженный cos ц, что менее приоритетно, чем более высокий КПД [10], и повышенный перегрев ОС, требующий увеличения интенсивности охлаждения. В таблице рассмотрен вариант с увеличением в 2 раза площади ребер охлаждения за счет монтажа пристроенных радиаторов и нанесением на площади соприкосновения теплопроводящей мастики. Возможны и другие методы улучшения охлаждения [9, 13].

Выводы