Оценка теплового режима асинхронного двигателя при использовании электронных управляющих элементов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Дальневосточный государственный аграрный университет

Оценка теплового режима асинхронного двигателя при использовании электронных управляющих элементов

Пустовой Е.А.

Аннотация

Исследована возможность использования микроконтроллерного управления для автоматизации таких технологических процессов как вентиляция, уборка навоза, доения и др. Разработана базовая схема управления технологическими процессами с использованием режима динамического торможения. Проведена оценка изменения теплового режима асинхронного двигателя в режиме динамического торможения. Получены термограммы двигателя в различных режимах работы. Экспериментально проверен тепловой баланс двигателя в продолжительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах. Полученные результаты свидетельствуют о стабильности теплового режима при сокращении времени переходных режимов, что позволяет сделать вывод о целесообразности использования микроконтроллерного управления для автоматизации технологических процессов в животноводстве и других отраслях.

Ключевые слова: ВЕНТИЛЯЦИЯ, ЖИВОТНОВОДЧЕСКОЕ ПОМЕЩЕНИЕ, ДОЕНИЕ, АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ, СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ, ПРОГРАМНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, ТЕРМОГРАММА

Современное производство, как сельскохозяйственное, так и промышленное, характеризуется использованием большого количества электроники и электроприводов, оптимизация управления которыми представляет собой одну из наиболее важных задач современной науки. Оптимизация систем управления позволит снизить затраты как на электрооборудование, используя привод меньшей мощности, так и на электроэнергию, повышая эффективность управления имеющимися мощностями.

Такие технологические процессы, как доение, уборка навоза, вентиляция, не обходятся без асинхронных двигателей. Использование электроприводов позволило полностью электрифицировать эти процессы и снизить долю ручного труда. Однако затраты электроэнергии, а, следовательно, и себестоимость продукции, существенно возросли.

Развитие систем автоматизированного управления позволяет снизить эти затраты за счет повышения эффективности использования электрооборудования. Так, использование систем автоматики позволяет сократить потребление электроэнергии на 40%, упростить схему управления и исключить наличие оператора.

Так, если рассматривать систему разгонной вентиляции, то управление ею при помощи микроконтроллерной техники позволяет установить в животноводческом помещении датчики температуры, влажности и аммиака и, в зависимости от их показаний, управлять микроклиматом на основе программы, заложенной в микроконтроллер.

Для системы навозоудаления проектирование автоматизированных систем должно производиться согласно используемой технологии. Так, в системе с гидросмывом необходим контроль уровня жидкости в канале. При использовании установок типа ТСН осуществляется контроль времени работы установки и периодичности включения. Используя программное управление, в этом случае можно также контролировать и продолжительность включения.

В основном, структура управления технологическими процессами при использовании систем автоматики однотипна и представлена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема управления технологическим процессом с использованием микроконтроллеров

Д - датчик; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; МК - микроконтроллер;

ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; ТР - твердотельное реле;

АД - асинхронный двигатель

В сравнении с традиционными схемами управления появляются такие элементы, как микроконтроллер, выполняющий функцию управляющего органа, в который непосредственно закладывается алгоритм управления в виде программы. Не всегда в автоматизированных системах присутствуют все составляющие блок-схемы.

Для реализации таких схем управления уже не требуется громоздкое оборудование, достаточно стандартного набора электронных компонентов. Однако при внедрении новых систем управления возникает ряд проблем, одной из которых является температурный режим асинхронного двигателя, так как при использовании программного обеспечения управление становится жестче вследствие более короткого периода переходного процесса, что приводит к переходу накопленной энергии в тепловую за более короткий период времени и, как следствие, формированию на обмотках двигателя более высокого температурного фона. Скорость теплоотдачи в окружающую среду уже не может компенсировать перегрев обмоток, следовательно, необходимы более точные настройки в программном управлении привода.

Наиболее часто в сельском хозяйстве встречаются такие режимы работы асинхронных двигателей, как продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный (рабочие режимы), а также режим динамического торможения [2].

В рабочих режимах двигатель работает с постоянной нагрузкой, изменяется только частота включения. Если при продолжительном режиме переходный процесс возникает только в момент включения и выключения и в дальнейшем температурный баланс двигателя стабилизируется, то при частых включениях и отключениях количество переходных режимов существенно увеличивается, и, как следствие, возникает нарушение температурного фона двигателя, так как скорость теплоотдачи ограничена.

Одним из наиболее распространенных режимов работы асинхронных двигателей, встроенных в схему управления, является режим динамического торможения, используемый с определенной периодичностью. Такой режим используется, если свободный выбег ротора нежелателен, в основном, - в технологических схемах, содержащих автоматизированные системы управления дозировкой продукции, упаковкой и др. [1, 3, 4].

Как в любом маховике, в роторе асинхронного двигателя во время работы запасается кинетическая энергия, которая в момент торможения выделяется в виде тепла в обмотках ротора и статора. Выделение тепла негативно сказывается на качестве лаковой изоляции, если режим работы двигателя не соответствует установленному для этого вида двигателей.

При торможении двигателя суммарное количество тепла, выделенное в обмотках, будет выглядеть следующим образом.

, (1)

где: - количество тепла, выделенное в асинхронном электродвигателе в рабочем режиме, кДж;

- количество тепла, выделенное при торможении электродвигателя, кДж.

В зависимости от режима торможения, количество выделенного при торможении тепла будет разным. Так, при использовании так называемого «свободного выбега» кинетическая энергия практически не преобразуется в тепло, а расходуется на поддержание вращения ротора. При принудительном останове происходит скачкообразное выделение тепла, которое при частых перегревах будет разрушать изоляцию обмоток электродвигателя. Применение электронных компонентов для управления торможением двигателей также вносит дополнительные аспекты. В результате торможение происходит за более короткий период времени, так же, как и выделение тепла в статоре и обмотках [4, 8].

При использовании динамического торможения вращающееся магнитное поле перестаёт существовать и заменяется неподвижным магнитным полем, создаваемым подключенным к двум фазам электродвигателя источником постоянного тока. Ротор в силу инерционности системы продолжает вращаться, что приводит к образованию в роторе наведенной ЭДС. В результате по обмотке ротора начинает протекать электрический ток, который формирует свое магнитное поле. Возникающее между двумя магнитными полями магнитное трение приводит к потере энергии и остановке ротора. Кинетическая энергия вращающегося поля преобразуется в тепловую, рассеиваемую в роторе. Температура статора и ротора растет за достаточно короткий промежуток времени.

Изменение температуры асинхронного двигателя влечет за собой необратимое разрушение изоляции токоведущих частей, в частности, лаковой изоляции, изоляции статора и ротора, так как она рассчитана на определенный температурный диапазон.

Так как при программном управлении режимом динамического торможения остановка ротора достигается практически мгновенно, то выделение тепла также характеризуется коротким промежутком времени. Следовательно, необходимо оценить соответствие нагрева двигателя в режиме динамического торможения параметрам его изоляции. Максимальная температура нагрева изоляции лежит в пределах от 90 до 180 0С.

Исходя из проведенного анализа, целью нашего исследования является оценка теплового режима асинхронного двигателя с учетом специфики используемой системы программного управления режимом торможения.

Для этого необходимо решить следующие задачи.

Разработать схему управления и программное обеспечение для реализации режима динамического торможения.

Провести измерение температуры асинхронного двигателя в различных режимах работы.

Для реализации режима торможения нами была использована схема (рис. 2) управления на основе программируемого реле ПР200.220.0.1 [5, 6, 7]. В качестве рабочего органа использовался асинхронный двигатель ЗАR80-6S мощностью 0,37 кВт. Управление производилось посредством трехфазного твердотельного реле серий HT-xx44.ZD3, однофазного твердотельного реле KIPPRIBOR серии MD-xx44.ZD3. Регистрация протекающих процессов проводилась посредством электронного осциллографа USB BM2080, амперметров постоянного и переменного тока с классом точности 1,0, вольтметра класса точности 1,0. Тепловой режим двигателей оценивался при помощи ИК-пирометра.

Рис. 2. Схема управления динамическим режимом асинхронного двигателя

Режим динамического торможения реализован путем использования программных средств, управляющих режимом работы твердотельного реле, которое переключает питание асинхронного двигателя с трехфазной переменной сети на однофазную постоянного тока; в результате переключения на две обмотки двигателя подается постоянное напряжение, которое формирует статичное магнитное поле в статоре и останавливает ротор двигателя.

Для оценки температурного режима нами проводилось исследование температуры двигателя в различных режимах работы.

После однократного режима торможения (рис. 3) двигатель находился в работе 30 минут, после чего производилось торможение.

В исходном состоянии температура в помещении составила 21,40С, а температура корпуса электродвигателя - 21,30С.

Для определения эталонного режима нагрева асинхронного двигателя он был запущен в работу на 30 минут, после чего была измерена его температура, которая составила 480С продолжительное время, 30 минут было использовано для стабилизации температуры в двигателе во время работы. Этот режим использовался в качестве образцового для сравнения полученного фона температур.

Для определения влияния режима динамического торможения на температурный режим двигателя были проведены контрольные измерения температуры, представленные на рис. 3, 4.

Время работы двигателя до остановки составляло 90 минут. В результате использования динамического торможения температура в двигателе достигла 28,8-29 0С.

Рис. 3. Термограмма асинхронного двигателя после использования режима торможения

Рис. 4. Термограмма двигателя после работы в течение 90 минут

Полученные показатели характеризуют отсутствие влияния используемого режима на температурный баланс электродвигателя, а также отсутствие негативного влияния нагрева на состояние изоляции обмоток. Температура обмоток не превысила максимальной температуры для изоляции двигателя.

Для контроля нагрева асинхронного двигателя при однократном запуске и торможении проведены однократные измерения (рис. 5).

Рис. 5. Термограмма двигателя при однократном цикле разгона и торможения

Температура двигателя после торможения составила 28,7-28,9 0С, т.е. нагревание двигателя незначительное.

Рис. 6. Термограмма двигателя после 10 циклов пуска и торможения

При проведении 10 циклов пуска и торможения, проведенных в течение 5 минут, температура асинхронного двигателя составила 31,10С (рис. 6).

Для проверки динамики нагрева асинхронного двигателя при циклической работе был задан цикл разгон-торможение, основные характеристики которого следующие: разгон - 2 с., пауза - 1 с, торможение - 3 с. Суммарное время циклической работы составило 10 минут.

После проведенного цикла температура двигателя составила 46,80С. Как показывает проведенный эксперимент, температура двигателя оказалась ниже, чем при номинальном режиме работы, что объясняется циклическим режимом, в котором у обмоток двигателя есть время на охлаждение (рис. 7).

Рис. 7. Термограмма двигателя после циклической работы в течение 10 минут

В результате проведенных экспериментов установлено, что использование микроконтроллерного управления позволяет сократить время торможения асинхронного двигателя, что приводит к резкому выделению тепла в обмотках статора и ротора.

Проведенная оценка теплового режима асинхронного двигателя в режиме торможения говорит о том, что использование динамического торможения не приводит к существенному нагреву обмоток и изменению температурного режима работы асинхронного двигателя.

Измерения температуры были проведены для однократного торможения, многократного торможения (циклического) и т.д., максимальная температура нагрева составила 46,80С.

Проведенные измерения показывают, что ни в одном из тестируемых режимов температура двигателя не превысила крайних значений, соответствующих классу изоляции.

Таким образом, для работы в режиме динамического торможения можно использовать программируемые микроконтроллеры. Их использование позволит снизить затраты на электроэнергию и повысить контроль над технологическим процессом без потери качества регулирования и ухудшения режима работы асинхронного двигателя. Так как большинство технологических процессов в животноводстве (доение, вентиляция, уборка навоза) связано с использованием управляемого электропривода, в основном, в режиме динамического торможения, то полученные результаты позволяют утверждать, что использование микроконтроллерного управления не оказывает влияния на тепловой режим асинхронного двигатели, и ужесточение условий пуска и торможения не скажется на эффективности и продолжительности работы двигателей.

Список использованных источников

микроконтроллерный автоматизация двигатель торможение

Динамическое торможение асинхронного двигателя [Электронный ресурс]. Эйлэнерджи. - Режим доступа: [Электронный ресурс]. В помощь энергетику. - Режим доступа: http://elenergi.ru/realizaciya-rekuperativnogo-tormozhenie-asinxronnogo-elektrodvigatelya.html.

Ещин Е.К. Об управлении пуском асинхронного двигателя [Электронный ресурс]. Киберленинка. - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/v/ob-upravlenii-puskom-asinhronnogo-elektrodvigatelya.

Калачев Ю.Н. Управляемый асинхронный привод [Электронный ресурс] Приводная техника. - Режим доступа: http://www.privod.ru/stat_kalchev.htm.

Как происходит динамическое торможение асинхронной машины [Электронный ресурс]. EIEnergi.ru. - Режим доступа: http://elenergi.ru/kak-proisxodit-dinamicheskoe-tormozhenie-asinxronnoj-mashiny.html.

Способ пуска короткозамкнутого асинхронного электродвигателя с параметрическим управлением в статоре [Электронный ресурс]. База патентов Беларуси. - Режим доступа: http://bypatents.com/4-10546-sposob-puska-korotkozamknutogo-asinhronnogo-elektrodvigatelya-s-parametricheskim-upravleniem-v-statore.html.

Устройство управления асинхронным двигателем [Электронный ресурс]. Банк патентов. - Режим доступа: http://bankpatentov.ru/node/355797.

Устройство для динамического торможения асинхронного двигателя [Электронный ресурс]. База патентов СССР. - Режим доступа: http://patents.su/3-1175014-ustrojjstvo-dlya-dinamicheskogo-tormozheniya-asinkhronnogo-dvigatelya.html.

Ченчевой В.В. Математическая модель асинхронного генератора с релейным регулятором емкостного тока // Вестник Кременчугского государственного политехнического университета. - Вып. 6/2008 (53), ч. 2. - С. 35-39.

Размещено на Allbest.ru