Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования
- 3. Исследование тепловых режимов в системе ТПЧ-АД
- Выводы
- Список источников
Введение
Использование двигателей переменного тока (асинхронных и синхронных), в системах промышленного регулируемого электропривода, открывает широкие возможности для значительного повышения производительности механизмов и как следствие усовершенствования технологии производства, снижения себестоимости и повышения качества продукции.
Эти машины характеризуются большим диапазоном мощностей (от нескольких ватт до тысяч киловатт), весьма разнообразны по конструктивному исполнению, применяемым охлаждающим средам, системам охлаждения и т. д.
Недостаточная изученность тепловых процессов в электродви¬гателях и отсутствие надежных инженерных методов расчета нагрева новых конструкций предопределили рассмотрение в данной работе прежде всего моделирования тепловых процессов таких машин.
В работе рассматривается вопросы нагрева электродвигателя с обдуваемой оболочкой, как наиболее распространенного и характерного типа закрытых асинхронных электродвигателей.[6].
Наиболее эффективным, а в большинстве случаев практически единственно возможным способом регулирования скорости двигателя переменного тока является частотное регулирование. Электромашинные преобразователи с регулируемой частотой вследствие ряда свойственных им недостатков (большая установленная мощность оборудования, низкий к.п.д., инерционность и др.) не получили широкого распространения.
Значительно более перспективными являются вентильные преобразователи частоты, которые при рациональном проектировании оказываются свободными от недостатков электромашинных.
Развитие полупроводниковых преобразователей для питания двигателей переменного тока, с регулируемыми выходным напряжением и частотой идет по двум направлениям:
-вентильные преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором;
- вентильные преобразователи без звена постоянного тока с непосредственной связью питающей сети и цепи нагрузки.
В преобразователях первого типа при питании их от промышленной сети переменного тока необходимыми элементами являются выпрямитель и автономный инвертор. Функции регулирования частоты выходного напряжения осуществляет инвертор, а напряжения — выпрямитель. Иногда обе функции осуществляет инвертор, а выпрямитель выполняется неуправляемым. Известно большое количество схем преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
В преобразователях второго типа питание производится непосредственно от сети переменного тока без промежуточного выпрямления.
При использовании непосредственного преобразователе не составляет труда с помощью системы управления получить на выходе ток, по форме близкий к синусоидальному, что может оказаться особенно полезным при работе на двигатель средней и большой мощности. Но преобразователям частоты без звена постоянного тока присущи и некоторые недостатки. В частности, они потребляют из сети значительную реактивную мощность. Характерным недостатком, вытекающим из самого принципа работы преобразователя, является ограничение верхнего предела рабочих частот он составляет половину частоты питающего напряжения.
Так как в промышленности большинство двигателей выпускается на частоту 50 Гц, то в данной работе для исследований был выбран автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Учитывая, что выходное напряжение автономного инвертора имеет не чистую синусоидальную форму, а в следствии и токи статора и ротора несут пульсирующий характер, то следует проверить, не перегревается ли двигатель при таких условиях.[1]
1. Актуальность темы
В данное время тепловые процессы в электродвигателях изучены недостаточно и отсутствуют надежные инженерные методоы расчета нагрева новых конструкций в данной работе прежде всего моделирования тепловых процессов таких машин. В работе рассматривается вопросы нагрева электродвигателя с обдуваемой оболочкой, как наиболее распространенного и характерного типа закрытых асинхронных электродвигателей.
2. Цель и задачи исследования
Основной задачей данной работы является исследование теплового состояния асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Нагрузка на валу двигателя будет постоянной и соответствовать номинальной, а частоты питающего напряжения инвертора будем изменять по закону:
Интерес теплового состояния двигателя в системе ПЧ-АД представляет, потому что выходное напряжение инвертора имеет не синусоидальную, а импульсную форму и вследствие этого токи статора и ротора двигателя имеют синусоидальную, но пульсирующую формы. Т.е. в гармоническом составе токов присутствуют гармоники отличные от основной. Согласно теории особенно это проявляется на пониженных частотах выходного напряжения. Поэтому в работе исследуем формы токов и напряжения при частотах выходного напряжения f = 50, 25 и 10 Гц.
3.Исследование тепловых режимов в системе ТПЧ-АД
При моделировании системы ТПЧ-АД были получены кривые токов статора, ротора двигателя при номинальном моменте нагрузки, а также кривая выходного напряжения преобразователя.
Доказано, что на нагрев двигателя наибольшее влияние оказывают нечетные гармоники. Для анализа будем учитывать основную составляющую и 3, 5 и 7 гармоники выходных сигналов токов и напряжения. Для выделения указанных составляющих гармонического состава разработана модель.
Рисунок 3.1 – Mодель для выделения гармонических составляющих
Основным блоком данной модели является блок Fourier пакета SIMULINK, имеющий следующие параметры:
Рисунок 3.2 – Параметры блока Fourier
В поле Fundamental frequency f1 (Hz) указывается частота входного сигнала блока, а в поле Harmonic n (0=DC; 1=fundamental; 2...) указывается номер гармоники которую нужно выделить. На осциллографе наблюдаем кривую соответствующую указанной гармонике.
Для учета этих составляющих в тепловой модели двигателя на входы падаем не один синусоидальный сигнал, а сумма сигналов соответствующих выделенным гармоникам.
Рисунок 3.3 – Блок учета гармонического состава тока статора
Каждый такой блок объединен в Subsystem с названиями GS, GSU, GR – соответственно сумма гармоник сигналов тока, напряжения статора и тока ротора. Т.о. модель для исследования теплового состояния двигателя при учете пульсирующих входных сигналов имеет вид:
Рисунок 3.4 – Тепловая модель двигателя с учетом гармонического состава
Первый опыт проводится при моделировании системы ТПЧ-АД с частотой выходного напряжения f = 50 Гц.
После анализа полученных ранее графиков тока статора и ротора и выходного напряжения инвертора при помощи модели выделения гармонических составляющих сведем данные в таблицу 3.1
Таблица 3.1 – Гармонический состав токов и напряжения при fc = 50 Гц, fr = 0.8547 Гц.
Как видно третья гармоника отсутствует во всех кривых токов и напряжения, а основная гармоника соответствует номинальным параметрам, полученным при питании двигателя напряжением синусоидальной сети.[8]
По результатам моделирования получим графики перегревов с учетом пульсаций токов и напряжения.
Рисунок 3.5 – Перегревы ротора θCu2 , обмотки θCu1 и железа θFe1 статора при питании от ТПЧ с частотой f = 50 Гцi>
Сведем в таблицу средние температуры, полученные при подаче на тепловую модель синусоидальных токов и напряжения промышленной частоты f = 50 Гц и кривые последних полученные в системе ТПЧ-АД.[2]
Таблица 3.2 – Перегревы при питании от промышленной сети и в системе ТПЧ-АД
Сравнивая результаты моделирования видно, что перегревы в системе ТПЧ-АД при f=50 Гц выше для ротора на 8 °С, обмотки статора на 5 °С и железа статора на 4 °С. Из полученных графиков возможно увидеть, что перегрев отдельных частей в двигателе, при номинальном момент нагрузки и номинальной частоте питающего напряжения, практически не изменяется относительно режима работы двигателя при питании в системе ТПЧ-АД при f = 50 Гц.
Таким образом, использование разработанной модели преобразователя частоты для питания двигателей в промышленных установках разного рода не приводит к изменению перегрева частей двигателя, то есть не вызовет нарушения его нормального теплового режима при работе с номинальной частотой.[7]
Далее исследуем тепловое состояние двигателя при пониженной частоте питающего напряжения инвертора f = 25 Гц.
В процессе моделирования системы ТПЧ-АД получим следующие осциллограммы:
Рисунок 3.6 – Выходное напряжение инвертора при fz = 25 Гц
Рисунок 3.7 – Фрагмент тока статора при Mc=Mном
Рисунок 3.8 – Фрагмент тока ротора при Mc=Mном
Рисунок 3.9 – Скорость двигателя при Mc=Mном
Из графика скорости видно, что скорость при том же момете нагрузки составляет 720 об/мин.
При гармоническом анализе токов ротора, статора и выходного напряжения инвертора получили следующие результаты:
Таблица 3.3 – Гармонический состав токов и напряжения при fc = 25 Гц, fr = 0.9091 Гц.
На основе полученного гармонического состава рассчитаем превышения температур отдельных частей двигателя над корпусом. Полученные графики приведены на (рис.3.10).
Рисунок 3.10 – Перегревы ротора θCu2 , обмотки θCu1 и железа θFe1 статора при питании от ТПЧ с частотой f = 25 Гц
Анимация (количество кадров:6, количество циклов:7, объем: 12,6 кБ)
Сведем в таблицу средние температуры, полученные при подаче на тепловую модель напряжения инвертора частоты f = 25 Гц и кривые токов ротора и статора полученные в системе ТПЧ-АД.
Таблица 3.4 – Перегревы при питании от промышленной сети и в системе ТПЧ-АД.
Далее исследуем тепловое состояние двигателя при пониженной частоте питающего напряжения инвертора f = 10 Гц.
В процессе моделирования системы ТПЧ-АД получим следующие осциллограммы.
Рисунок 3.11 – Выходное напряжение инвертора при Fz= 10Гц Mс= Mном
Рисунок 3.12 – Скорость двигателя при Fz= 10Гц Mс= Mном
Рисунок 3.13 – Фрагмент тока статора при Fz= 10Гц Mс= Mном
При гармоническом анализе токов ротора, статора и выходного напряжения инвертора получили следующие результаты:[5]
Таблица 3.5 – Гармонический состав токов и напряжения при fc = 10 Гц, fr = 1.2658 Гц.
На основе полученного гармонического состава расчитаем превышения температур отдельных частей двигателя над корпусом. Полученные графики приведены на (рис.3.14).[9]
Рисунок 3.14 – Перегревы ротора θCu2 , обмотки θCu1 и железа θFe1 статора при питании от ТПЧ с частотой f = 10 Гц
Сведем в таблицу средние температуры, полученные при подаче на тепловую модель напряжения промышленной сети с частотой f = 50 Гц и при питании от инвертора напряжения при частотах выходного напряжения f = 50, 25 и 10 Гц.
Таблица 3.6 – Превышения температур частей двигателя при различных частотах питающего напряжения
Выводы
Таким образом, использование преобразователя частоты на базе автономного инвертора напряжения с широтно – импульсной модуляцией для питания двигателей в промышленных установках разного рода приводит к изменению перегрева частей двигателя, то есть вызывает нарушение его нормального теплового режима при работе с номинальной нагрузкой.
Следовательно двигатели которые серийно выпускаются использовать в таких условиях невозможно.[4]
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2015 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты. В дальнейшем будет проводится ряд экспериментов, исследование и доработка имеющихся результатов.
Список источников
- Г.Г. Счастливый «Нагревание закрытых асинхронных электродвигателей» – Киев «Наукова думка», 1966г.
- Ю.С. Забродин «Промышленная электроника: учебник для вузов» – Москва «Высшая школа», 1982г.
- Костерин С.И., Финатьев Ю.И. – В кн.: «Теплопередача и охлаждение электрических машин» изд. ЦИНТИЭлектропром, Москва, 1963г.
- Шнейдер П. «Инженерные проблемы теплопроводности» Москва, 1960
- Hak J. «Archiv fur Electrotechnik», 1956.
- Постников И.М. «Проектирование электрических машин» Гостехиздат, Киев, 1960г.
- Уэйкерли Д. Проектирование цифровых устройств / Д. Уэйкерли. – М.: Постмаркет, 2002. – Том 2. – 528 с.
- Breeding K. Digital design fundamentals / K. Breeding. – Prentice Hall, 1992. – 446 pp.
- Holdsworth B. Digital logic design / B. Holdsworth, C. Woods. – Prentice Hall, 2002. – 519 pp.