Энергетические характеристики асинхронного двигателя

Механические характеристики асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель преобразовывает электрическую энергию в механическую. Механическая характеристика асинхронного двигателя, электромеханическая и другие содержат информацию, без которой невозможна его правильная эксплуатация.

Эта конструкция достаточно широко применяется в различных сферах человеческой жизнедеятельности. Без них немыслима работа станков, транспортеров, подъемно-транспортных машин. Двигатели, обладающие небольшой мощностью, широко используются в автоматике.

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 P_N = 15 кВт; номинальное фазное напряжение U_N = 127 В; номинальный фазный ток I_N = 50,38 А; частота питающего напряжения f_N = 400 Гц; КПД η_Ν = 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 (Ω_0N = 628,3 рад/с) с последующим набросом активной нагрузки M_c = 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

Защита данных

Сервис и обслуживание насосов и арматуры по всему миру

Благодаря своей универсальности насосы и арматура KSB находят свое применение в широком спектре областей, будь то инженерные системы зданий и сооружений, технологические процессы промышленных предприятий, коммунальное водоснабжение или транспортировка и очистка сточных вод, техническое оснащение объектов энергетики и многое другое. Наши клиенты выбирают комплексные решения от KSB , доверяют нашему опыту и профессионализму, чувствуют себя надежно защищенными благодаря нашей сервисной поддержке на всех этапах жизненного цикла оборудования. Именно это делает компанию KSB надежным поставщиком и партнером. Комплексные инженерные решения от KSB – гарантия высочайшего качества, максимальная экономия электроэнергии, идеальная сочетаемость компонентов и безупречная работа всей системы.

Основными продуктами производственной программы KSB являются центробежные насосы. К ним относятся, например, промышленные насосы, насосы для технологических процессов,химические насосы, насосы для водоснабжения , скважинные насосы, погружные насосы, насосы для сточных вод или циркуляционные насосы. Оборудование KSB производится в соответствии с общепринятыми мировыми стандартами (EN и ISO), в зависимости от области применения возможно исполнение по API, ATEX, ANSI, ASTM, ASME и др. По своим энергоэффективным характеристикам соответствует предписаниям и директивам Европейского Союза.
Основанная в 1871 году во Франкентале, Германия, KSB является одним из ведущих поставщиков насосного оборудования и трубопроводной арматуры. На сегодняшний день KSB – это глобальное предприятие, представленное собственными торговыми компаниями, производственными площадками и сервисными центрами в 100 странах мира на 5 континентах.
История сотрудничества компании KSB с российскими предприятиями началась с поставки процессных насосов в Советский Союз в 1930 году. В настоящее время тысячи единиц насосов, мешалок и арматуры KSB успешно эксплуатируются на российских водоканалах, объектах промышленно-гражданского строительства, в технологических процессах промышленных предприятий, а также на объектах большой и малой энергетики. Представительство KSB в Москве было открыто в 1982 году. ООО «КСБ» было основано 21 июня 2005 года, компания является дочерним предприятием концерна KSB. Одним из приоритетных направлений для компании KSB является локализация производства в России. В феврале 2019 года введен в эксплуатацию собственный производственный комплекс ООО «КСБ» в Москве.
ООО «КСБ» осуществляет подбор и поставку оборудования KSB, предлагает системные решения, оказывает техническую поддержку на стадии проектирования, предоставляет услуги по шефмонтажу и пусконаладке, вводу в эксплуатацию, гарантийному и послегарантийному обслуживанию, выполнение капитальных ремонтно-восстановительных работ для всех типов насосов KSB без привлечения специалистов с заводов KSB в Европе, а также услуги по диагностике и аудиту систем.
За многие годы своей работы ООО «КСБ» приобрело репутацию надежного партнера и поставщика высококачественного и энергоэффективного оборудования.