---

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПОКАЗНИКІВ РОБОТИ І ЯКОСТІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ В АСИНХРОННОМУ ДВИГУНІ

Авторы: А.П. Калінов, к.т.н., доц., А.В. Чумачова, магістрант, Д.Г. Мамчур, асистент

Вступ. У зв'язку з необхідністю впровадження енергоресурсозберігаючих технологій у виробничий процес, виникає завдання оцінки енергетичних режимів роботи електромеханічних перетворювачів, зокрема, асинхронних електродвигунів (АД). У цей час регламентується лише вплив якості енергії живлення на електромеханічний перетворювач, при цьому вважається, що він справний, электрично та магнітно симетричний. У роботах ряду дослідників показано, що існуючі методи оцінки енергоефективності роботи електричних машин морально застаріли внаслідок збільшення кількості електроприводів змінного струму, що працюють при несинусоїдальних струмах і напругах, а також мають певний ступінь початкової або придбаної конструктивної параметричної несиметрії [3]. З урахуванням вищевказаних факторів існуючих критеріїв по оцінці енергопроцесів у АД стає недостатньо. Це викликає необхідність введення нових критеріїв оцінки енергопроцесів.

Мета роботи. . Підвищення ефективності аналізу енергопроцесів в асинхронному двигуні на основі миттєвих значень електромеханічних і енергетичних координат, які визначаються за миттєвими значеннями струмів і напруг.

Матеріали і результати дослідження. Для аналізу енергетичних показників роботи асинхронних машин пропонується метод, що базується на основі експериментальних сигналів фазних струмів і напруг статора АД. Застосування цього методу обумовлено насамперед тим, що, у більшості випадків, у промислових умовах єдиними параметрами, які можна досить просто виміряти, зафіксувати й оцінити, є фазні струми й напруги статора двигуна. Згідно з наведеним алгоритмом (рис. 1), інші параметри, що характеризують енергетичну ефективність і якість перетворення енергії, можуть бути визначені побічно. Як додаткові параметри, необхідні для реалізації запропонованого методу, виступають значення активних опорів (RA, RB, RС) і індуктивностей розсіювання (LA, LB, LС) обмоток фаз статора, а також момент інерції ( ) механічної системи. Зазначені параметри можуть бути отримані за допомогою ряду стандартних або альтернативних методів ідентифікації параметрів АД [1]. Оцінка енергетики роботи асинхронного двигуна проілюстрована на основі експериментів з прямого пуску АД.

При підсумовуванні миттєвих потужностей всіх фаз одержуємо миттєву активну потужність трифазної системи (рис. 2). При визначенні миттєвого коефіцієнта потужності можуть бути розраховані криві миттєвої реактивної й повної потужності (рис. 2). Миттєвий коефіцієнт потужності при цьому розраховується шляхом попереднього переходу від трифазної системи напруг і струмів до ортогональної системи. При відсутності несинусоїдності й несиметрії напруг і струмів являє собою у статичному режимі – пряму. При наявності несинусоїдності й несиметрії мережі живлення, конструктивної несиметрії й істотних нелінійностей АД в кривій миттєвого коефіцієнта потужності з'являються коливання з подвійною і вище частотою мережі живлення (рис. 3), однак середнє значення за період напруги мережі живлення дорівнює середньому значенню коефіцієнта потужності за фазами АД.

Розрахунок електромагнітного моменту й моменту на валу можна робити або на основі аналізу споживаної потужності й втрат потужності в статорі, або на основі похідних потокозчеплень (рис.1).

При відомих активних опорах фаз статора відносно просто може бути отриманий так званий спостережуваний електромагнітний момент, відмінність якого від реального обумовлена миттєвими значеннями втрат у сталі. Одержувана похибка може варіюватися від (30–50)% у режимі неробочого ходу до (1–5)% при номінальному навантаженні, що є припустимим для рішення ряду завдань. Втрати в сталі визначаються величиною магнітного потоку в зазорі АД, або його аналога – ЕРС у зазорі, заснованого на електричній схемі заміщення (рис. 6). Розрахунок ЕРС у зазорі потребує розрахунку похідних струмів і наявності інформації про значення індуктивностей розсіювання статора з урахуванням їх відмінності при несиметрії електричної машини. Коефіцієнт Кст вважається постійним і визначається у режимі неробочого ходу шляхом зіставлення із втратами в сталі в статичному режимі, отриманими за відомими методами [2].

Момент АД при пуску складається з декількох складових: сталого значення моменту для даної кутової швидкості, що відповідає статичній характеристиці; початкових значень аперіодичних вільних складових моменту; періодичних вільних складових моменту.

Варто відмітити, що миттєві значення кривих електромагнітного моменту, отриманого на основі миттєвих потужностей (рис. 5), і моменту, отриманого на основі похідних потокозчеплень (рис. 4), відрізняються, у той час, як їхні тренди збігаються (рис. 7). Однак необхідно враховувати недолік методу визначення електромагнітного моменту через потокозчеплення: процес інтегрування змінних вимагає відомих початкових умов, тобто має сенс використовувати цей метод тільки при аналізі всього перехідного процесу, а не окремої його ділянки.

Використання розрахованого електромагнітного моменту дозволяє побічно розрахувати кутову частоту обертання двигуна, при цьому момент навантаження розраховується як середнє значення електромагнітного моменту в сталому режимі. Визначення миттєвих значень швидкості дозволяє розрахувати момент і потужність на валу АД. При непрямому розрахунку швидкості обертання АД метод розрахунку електромагнітного моменту за похідними потокозчеплень дає кращий збіг з експериментальною кривою за критерієм середньоквадратичного відхилення.

ККД двигуна, що розраховується за стандартними методами у статичних режимах не дозволяє врахувати багатонаправленість потоків енергії в пуско–тормозних режимах. Тому запропоновано розрахунок миттєвих значень ККД електричної машини в цілому й декомпозиція ККД на ККД статора й ККД ротора відповідно до конструктивної структури АМ (рис. 9).

Для ККД статора як споживана потужність береться потужність, споживана з мережі , а в якості корисної – електромагнітна потужність , передана через зазор від статора до ротора. Для розрахунку ККД ротора як споживана потужність використовується , а в якості корисної – потужність на валу .

Висновок. . Запропонований метод дозволяє оцінити енергетичні характеристики АД в умовах неякісності напруги живлення, конструктивної й параметричної несиметрії електричної машини й зміни режимів його роботи при використанні миттєвих значень струмів і напруг статора, за кривими активної, реактивної й повної потужності, коефіцієнта потужності, миттєвого коефіцієнта корисної дії. Перевага цього методу полягає в тому, що він дозволяє витрачати менше часу на аналіз даних у порівнянні з методом, що передбачає розклад сигналів струму й напруги на гармонічні складові.

Зазначений метод при цьому входить до комплексного завдання створення систем визначення залишкового ресурсу працездатності АД й створення на їхній основі енерго– і ресурсозберігаючих режимів роботи в складі регульованого електропривода. Запропонований метод може бути покладений також в основу створення систем компенсації конструктивної й параметричної несиметрії АД й оптимізації режимів енергоспоживання на основі частотнорегульованого електропривода.

БІБЛІОГРАФІЧНІ ДАНІ

1. Родькин Д.И., Калинов А.П., Ромашихин Ю.В. Энергетический метод идентификации параметров асинхронных двигателей // Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ. – Вип. 3 (44). – Ч.2. – Кременчук: КДПУ, 2007. – С. 130–136.

2. Вольдек А. И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974. – 839 с.

3. Ильинский Н.Ф., Горнов А.О. Критерий эффективности процесса электромеханического преобразования энергии // Электричество. – 1987. – №10. – С. 24–29.