Алексеев Р.В - Исследование тепловых процессов в асинхронном двигателе.

АВТОРЕФЕРАТ К МАГИСТЕРСКОЙ РАБОТЕ
магистра ЭТФ Алексеева Р.В. на тему:
"Исследование тепловых процессов в асинхронном двигателе при питании от тиристорного преобразователя частоты"

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.
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 вентильных преобразователей переменного тока с регулируемыми выходным напряжением и частотой идет по двум направлениям:
1) вентильные преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором;
2) 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 данной работе рассмотрены преобразователи второго типа - без звена постоянного тока. Преобразователи частоты без звена постоянного тока обладают рядом положительных свойств, обусловливающих целесообразность их довольно широкого применения.
Во-первых, коммутация тока в вентилях преобразователя происходит за счет напряжения питающей сети, вследствие чего не требуется применение каких-либо специальных коммутирующих устройств, например конденсаторов.
Во-вторых, преобразователь позволяет осуществлять двусторонний обмен мощности: из питающей сети в цепь нагрузки и из цепи нагрузки в питающую сеть. Благодаря этому свойству легко обеспечивается генераторное торможение двигателей нагрузки и работа преобразователя на нагрузку с любым коэффициентом мощности без применения специальных компенсирующих устройств.
В-третьих, преобразователь позволяет осуществлять плавное регулирование амплитуды и частоты напряжения на выходе (начиная с нуля), что часто оказывается необходимым для частотного управления двигателями переменного тока.
В-четвертых, питание преобразователя производится непосредственно от сети переменного тока (с разделительным трансформатором или без него) без промежуточного выпрямления, что в ряде случаев позволяет строить силовые схемы с меньшим числом вентилей по сравнению с преобразователями со звеном постоянного тока.
В-пятых, в 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.
Преобразователям частоты без звена постоянного тока присущи и некоторые недостатки. В частности, они потребляют из сети значительную реактивную мощность. В случае необходимости этот недостаток может быть в значительной степени преодолен путем применения компенсирующих конденсаторов.Другим характерным недостатком, вытекающим из самого принципа работы преобразователя, является ограничение верхнего предела рабочих частот. Следует, однако, отметить, что и этот недостаток в значительной степени может быть преодолен применением многофазных силовых схем.
Наиболее часто встречающимися названиями являются "преобразователь частоты с естественной коммутацией" и "преобразователь частоты с непосредственной связью цепей", подчеркивающие особенность рассматриваемых преобразователей. Иногда применяют название "преобразователь частоты по огибающей". подчеркивающее, что кривая выходного напряжения образуется как огибающая участков синусоид питающего напряжения. В тех случаях, когда для получения близкой к синусоиде кривой выходного напряжения применяется непрерывное изменение угла открытия вентилей в течение периода частоты управления, иногда применяется название "преобразователь частоты со скользящей отсечкой". В зарубежной литературе довольно широко распространено название "циклоконвертор", акцентирующее внимание на циклическом (с частотой вторичной сети) характере изменения угла открытия вентилей.

В последнее время много говорят о том, что при питании асинхронного двигателя от преобразователя частоты вызывает перегревание его частей. Поэтому целью данной работы является исследование теплового состояния двигателя.
Для этого в работе разрабатывается математическая модель системы НПЧ-АД и тепловая модель состоящая из четырех тел. Учитывая, что математические модели АД и силовой части вентильного привода изучены достаточно полно, в работе значительное внимание было уделено разработке системы управления вентильными комплектами непосредственного преобразователя частоты и тепловой модели. Для подтверждения правильности полученной модели, были проведены исследования процессов протекающих при преобразовании частоты и перегрева двигателя с использованием математического пакета "Matlab".

1. НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) предназначены для одноступенчатого преобразования энергии переменного тока частоты f1 в энергию переменного тока другой (обычно более низкой) частоты f2. В этих преобразователях кривая выходного напряжения составляется из участков напряжений сети благодаря осуществлению с помощью тиристоров непосредственной связи цепи нагрузки с сетью переменного тока. НПЧ выполняют с однофазным или трехфазным выходом и с однофазным или трехфазным входом. Для получения более качественной формы кривой выходного напряжения (с малым содержанием высших гармонических состовляющих) преобразователи обычно питают от сети трехфазного тока
Схема трехфазно-однофазного НПЧ, состоящая из двух мостовых тиристорных групп, соединенных встречно-параллельно, приведена на рис.1. Нагрузка ZH преобразователя имеет активно-индуктивный характер (индуктор низкочастотного нагрева, низкоскоростные асинхронные двигатели в преобразователях с трехфазным выходом, сеть переменного тока частоты f2 и т. д.).

Рисунок1. Схема непосредственного преобразователя частоты.

Вид кривой выходного напряжения преобразователя показан на рис.2а. Она формируется при той же, что и в большинстве преобразователях, последовательности (1, 2, 3, 4, ...) вступления в работу тиристоров обеих групп, но при циклическом изменении во времени углов отпирания тиристоров (рис.2б). В результате кривая выходного напряжения составляется из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора с основной гармонической uH(1) близкой по форме к синусоиде. Если бы нагрузка была чисто активной, то переменное напряжение на ней создавалось бы при поочередной работе тиристорных групп только в режиме выпрямления. При формировании полуволны напряжения положительной полярности в режиме выпрямления с углом a1, изменяемым от 90° до 0 и обратно, работала бы тиристорная группа 1, а при формировании полуволны напряжения отрицательной полярности в режиме выпрямления с углом a2. изменяемым в тех же пределах, - тиристорная группа 2. В любой момент времени работа системы на чисто активную нагрузку связана с потреблением энергии от сети переменного тока либо через вентильную группу 1, либо через вентильную группу 2.

Рисунок2. Кривая выходного напряжения (а), характер изменения во времени углов a1 и a2 (б) НПЧ при синусоидальном законе управления.

2. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ, ВЕДОМЫМИ СЕТЬЮ

Система управления (СУ), обеспечивающая подачу отпирающих импульсов на тиристоры преобразователя любого типа, совместно с преобразователем решает комплекс задач, связанных с формированием и регулированием его выходного напряжения. В ведомых сетью преобразователях с естественной коммутацией (управляемых выпрямителях, ведомых инверторах, реверсивных преобразователях, непосредственных преобразователях частоты) существует общность в реализации систем управления. Она обусловливается идентичностью управляющего воздействия СУ на силовую схему, которое проявляется в изменении момента подачи отпирающих импульсов на тиристоры по отношению к синусоидально изменяющейся кривой напряжения сети (т. е. угла управления a ).
В силу того, что СУ рассматриваемых преобразователей осуществляют регулирование фазы управляющих импульсов, их часто называют системами импульсно-фазового управления (СИФУ). Общими требованиями, предъявляемыми к системе управления преобразователем, являются:
1) надежное отпирание тиристоров силовой схемы во всех режимах ее работы;
2) плавное (в необходимом диапазоне) регулирование угла ? подачи управляющих импульсов на тиристоры;
3)высокая помехоустойчивость и надежность
Сущность вертикального принципа построения СУ и функциональное назначение ее узлов покажем на примере выполнения канала управления одним тиристором преобразователя (рис.3). В схему канала входят генератор опорного напряжения ГОН, нуль-орган НО и усилитель-формирователь УФ отпирающих импульсов. Генератор опорного (развертывающего) напряжения ГОН формирует изменяющееся во времени напряжение u0 синусоидальной, треугольной. пилообразной и других форм. С помощью НО опорное напряжение генератора сравнивается с управляющим напряжением преобразователя. Когда опорное напряжение (в процессе его увеличения или уменьшения) достигает напряжения u, на выходе НО возникает импульс, который после предварительного усиления и формирования подается в управляющую цепь тиристора преобразователя. Изменяющееся во времени опорное напряжение создается с участием напряжения сети переменного тока (одной или нескольких ее фаз), в связи с чем опорное напряжение и формируемый импульс синхронизированы во времени с напряжением сети переменного тока. Путем изменения величины напряжения u осуществляются сдвиг во времени выходного импульса и регулирование угла a следовательно, и выходного напряжения преобразователя.
Управляющее напряжение u может представлять собой разность (или быть пропорциональным ей) некоторого напряжения уставки и напряжения, характеризующего регулируемый параметр (напряжение Ud, ток Id, частоту вращения якоря двигателя n т.д.). В этом случае система будет охвачена отрицательной обратной связью по регулируемому параметру, что обеспечит его стабилизацию. Если в качестве управляющего напряжения использовать переменный сигнал, например синусоидальной формы низкой частоты, то будет осуществляться модуляция угла ? по синусоидальному закону, что требуется для формирования кривой выходного напряжения непосредственных преобразователей частоты. Генератор опорного напряжения совместно с нуль-органом представляют фазосдвигающее устройство ФСУ. являющееся важнейшим в синхронной системе управления (рис.3). Поскольку работа ФСУ основана на сравнении двух напряжений (опорного и управляющего), его принцип действия называется вертикальным. Синхронные системы управления многофазными преобразователями могут быть выполнены по многоканальному и одноканальному способам. В многоканальной системе управления (рис.4) регулирование угла a осуществляется от общего управляющего напряжения при выполнении каждого канала по типу рис.3. Количество каналов равно числу тиристоров в схеме преобразователя (так, в СУ трехфазного мостового управляемого выпрямителя число каналов равно шести). При соответствующей синхронизации фазосдвигающих устройств от сети переменного тока (фазировки) система формирует для тиристоров в фазах а, b, с управляющие импульсы, симметричные относительно точек естественного отпирания , что требуется для работы схемы.

Рисунок 3. Структурная схема канала управления тиристором преобразователя при синхронном принципе построения СУ.

Рисунок 4.Структурная схема многоканальной системы управления преобразователем.
Многоканальный способ управления получил широкое распространение благодаря простоте выполнения СУ, унификации ее узлов, а также применимости для различного типа преобразователей. Вместе с тем в таких системах предъявляются повышенные требования к идентичности регулировочных характеристик фазосдвигающих устройств a=F(u) отдельных каналов во всем диапазоне изменения управляющего напряжения. Различие регулировочных характеристик приводит к отличию углов a по каналам управления тиристорами, асимметрии управляющих импульсов, что создает, например, в управляемых выпрямителях дополнительные низкочастотные пульсации выпрямленного напряжения. В одноканальной системе управления регулирование фазового сдвига управляющих импульсов производится по одному каналу с помощью общего фазосдвигающего устройства, импульсы которого затем распределяются по цепям формирования запускающих импульсов для каждого из тиристоров преобразователя. Благодаря применению общего фазосдвигающего устройства одноканальная система способна обеспечить самые высокие требования в отношении симметрии управляющих импульсов. На систему управления возлагаются часто сложные задачи по формированию и управлению выходных напряжений вентильного преобразователя. СУ может обеспечивать стабилизацию выходного напряжения, его изменение по необходимому закону, реверс выходного, требуемую логику включения и отключения и т.д. Способы решения задач зависят от конкретных требований в отношении управления выходным напряжением преобразователя.

3. МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

Цель работы - разработка модели системы управления непосредственного преобразователя частоты (СУ НПЧ) в пакете Matlab (Simulink). В основе работы СУ лежит принцип вертикального управления - сравнение управляющего и опорного сигналов. Управляющий сигнал несет информацию о форме выходного сигнала (частота, амплитуда), опорный сигнал несет информацию о форме напряжений питания (для трехфазной сети имеем шесть опорных сигналов). Модель непосредственного преобразователя частоты с соответствующей системой управления изображена на рис.5 и содержит два основных блока. Первый блок выполнен в приложении Simulink и формирует импульсы управления вентильных комплектов. Второй блок реализован в приложении Power System Blokset (далее PSB), относится к моделированию процессов, происходящих в нагрузке непосредственного преобразователя частоты. Блоки с выходными координатами u1 и u2 моделируют выходной сигнал вентильных комплектов. Для перехода от сигналов Simulink к сигналам PSB используется блок Controlled Voltage Source, к которому и подключена RL-нагрузка.В качестве двигателя в системе НПЧ-АД при моделировании были использованы данные двигателя угольного комбайна ЭДКО4М-2У

Рисунок 5 - Модель системы НПЧ-АД.
Осциллограммы, представляющие собой результаты моделирования (рис.6-9), получены при выходной частоте преобразователя 25Гц и при использовании закона управления U/f=const.

Рисунок 6 - Ток статора.

Рисунок 7 - Динамическая характеристика момента двигателя.

Рисунок 8 - Скорость двигателя при пуске под нагрузкой.

Рисунок 9. Динамическая зависимость скорости двигателя от момента.
Для подтверждения возможности использования разработанной модели для исследования в системе НПЧ-АД, необходимо проверить ее работоспособность на частоте ниже 50Гц. Для этого были сняты осциллограммы характеристик двигателя при работе на частоте 25Гц и при Мс=Мном. По осциллограмме (рис.8) скорость двигателя, при Мс=Мном ,составляет 75.6с-1. Теоретическое значение скорости на частоте 25Гц при Мс=Мном и законе No=750 об/мин, Wн=77.3 с-1.
Таким образом, погрешность составила 2,2%, погрешность для Мн и Iс соответственно- 4,1% и 4,2% Следовательно, с учетом принятых допущений, полученная модель двигателя может быть использована в системе НПЧ-АД.

4. ПОСТРОЕНИЕ УПРОЩЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ.

Для исследования двигателя серии ЭДКО используем четырехтельную тепловую схему замещения двигателя, пример такой схемы представлен на рисунке 10. В приведенной схеме замещения: узел 1- пазовая часть обмотки статора; узел 2- лобовая часть обмотки статора; узел 3- ротор; узел 4- железо статора и корпус. Необходимо отметить, что применение для исследований четырехтельной математической модели существенно упрощает математические расчеты. Система уравнений, описывающая тепловую четырехтельную схему замещения:

Рисунок 10 - Тепловая четырехтельная схема замещения асинхронного двигателя.
На рисунках 11 и 12 приведена математическая модель двигателя для четырехтельной тепловой схемы замещения, построенная с учетом уравнений, описывающих тепловые процессы в двигателе.

Рисунок 11 - Математическая схема четырехтельной тепловой модели двигателя при работе под нагрузкой.

Рисунок 12 - Математическая схема четырехтельной тепловой модели двигателя при паузе.
Таким образом, была полученная модель, которая описывает температурные режимы двигателя. То есть, построенные модели позволяют исследовать перегревы отдельных частей двигателя. Одна из главных целей работы - исследование температурных режимов асинхронного двигателя при питании от преобразователя частоты. Полученная раньше, модель НПЧ-АД позволяет определить необходимый ток статора для решения системы уравнений. Соответствующая оценка работы построенных тепловых моделей двигателя должна быть определена в его реальном режиме работы на разных частотах напряжения питания.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ДВИГАТЕЛЯ В РЕАЛЬНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ.

Момент сил сопротивления, подаваемый на вход математической модели для оценки теплового состояния двигателя, имеет вид: Mc=Mcp+Mo, где Мср - постоянная составляющая сил сопротвления; Мo - стохастическая составляющая момента нагрузки. Как показано в [6] изменчивость момента сил сопротивления в относительных единицах характеризуется коэффициентом вариации нагрузки и может быть записана: V=G/Mcp. Проведенные различными организациями исследования показали, что коэффициент вариации нагрузки лежит в пределах (0,2- 0,43). Задаваясь различными значениями коэффициента вариации нагрузки и величинами постоянной составляющей момента сил сопротивления, можно получить различные значения среднеквадратичного отклонения момента сил сопротивления. Для двигателя ЭДК04-2МУ5 номинальный момент равен 600 Нм. Это значение вводится в математическую модель в качестве Мср, при исследовании теплового состояния двигателя в зоне скольжений не превышающих критического значения. Анализ распределения времени работы и пауз двигателя [6] показал, что эти распределения имеют экспоненциальный характер.
В этом случае время паузы и работы с учетом случайного характера продолжительности включения определяется по выражениям: to=-lnX/Lo b tp=-lnX/Lp. Здесь индекс "о" относится к паузе; "р" - к работе; L - параметр, имеющий физический смысл количества событий в единицу времени и определяемый как Х- величина случайная, равномерно распределенная на интервале (0,1), вырабатываемая по стандартной программе датчика случайных чисел. Однако для того, чтобы проводить исследования тепловых процессов, происходящих в двигателе необходимо убедиться в достоверности разработанной математической модели. Достоверность результатов проверяется путем сравнения расчетных значений превышения температур и фактических значений, снятых при стендовых испытаниях на реальном двигателе в режиме ПВ=25% и длительности цикла (Тцикл) 30 минут при детерминированной нагрузке номинальным моментом. В модели приведенной на рисунке 1 этому соответствует переключение ключа К в положение 1. Фактические превышения температур для обмотки статора при заданной величине электромагнитного момента двигателя [4] были определены на стенде Первомайского электромеханического завода им.К. Маркса.
Близкая сходимость результатов моделирования и эксперимента в детерминированном режиме работы (ошибка составляет 2,5%) позволяет считать, разработанную тепловую модель адекватной реальному двигателю. Это позволяет использовать ее для расчета и анализа перегрева элементов тепловой схемы замещения двигателя в случайных режимах работы. Используя, раньше полученную, тепловую модель двигателя промоделируем ее для таких же условий, которые и для стендовых испытаний (Uс=380В, fc=50Гц). Полученные результаты при ПВ= 25% и детерминированной нагрузке приведены на рисунке 13.

Рисунок 13 - Перегрeв частей двигателя при питании от сети Uc =380B, f=50Гц.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПИТАНИИ ЕГО ОТ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ.

Соединяя, полученную раньше, модель НПЧ-АД и полученную тепловую модель двигателя можем исследовать тепловые процессы в двигателе при его питании от непосредственного преобразователя напряжением разной частоты, также при этом возможно изменять закон управления в преобразователе в зависимости от необходимости.
В данной работе анализ превышение температур, выбранных раньше, тел в двигателе осуществлялось от преобразователя частоты (система НПЧ-АД). При этом на двигатель подавалось напряжение частотой соответственно 25Гц и 12,5Гц и в системе управления преобразователя был реализован закон управления U/f=const. Результаты моделирования указанной системы при заданных условиях приведении на рисунках 14 и 15.
Также был получен график перегрева частей двигателя при его питании от преобразователя частоты, если в процессе работы была измененная частота питающего напряжения с 25Гц на 12.5Гц. Результаты моделирования показании на рис.16. При моделировании полученной системы для возможности оценки полученных результатов были установлении те же условия, которое и при стендовых испытаниях двигателя, то есть в режиме ПВ=25% и продолжительности цикла (Тцикл) 30 минут при детерминированной нагрузке номинальным моментом.

Рисунок 14 - Перегрeв частей двигателя при питании от НПЧ Uc =380B, f=25Гц.

Рисунок 15 - Перегрeв частей двигателя при питании от НПЧ Uc =380B, f=12.5Гц.

Рисунок 16 - Перегрeв частей двигателя при изменении питающего напряжения с Uc =380B, f=25Гц до Uc =380B, f=12.5Гц.
Из полученных графиков можно увидеть, что перегрел отдельных частей в двигателе, при номинальном моменте нагрузки и сниженной частоте питающего напряжения, практически не изменяется относительно режима работы двигателя при номинальной частоте напряжения и номинальном моменте погрузки.
Таким образом, использование непосредственного 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.

7. ВЫВОДЫ.

Соответственно установленным целям к работе было:
1. Получена модель непосредственного преобразователя частоты с соответствующей системой управления. В системе управления был реализован закон управления: U/f=const.
2. Смоделирована система НПЧ-АД и проверена правильность ее работы, относительно теоретических положений.
3. Разработана тепловая математическая модель двигателя. Проверена правилиность работы полученной математической модели соответственно испытаниям, которые были проведены на стенде Первомайского электромеханического завода им.К. Маркса.
4. Был проверен перегрев отдельных частей двигателя при питании его от непосредственного преобразователя частоты напряжением сниженной частоты, момент нагрузки при разных частотах, оставался номинальным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б.Я.Стариков, В.Л.Азарх, З.М.Рабинович "Асинхронный электропривод очисных комбайнов"- Москва, "Недра",1981г.
2. В.С.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко "Преобразовательная техника".-Киев, "Вища школа", 1979г.
3. И.Я. Бернештейн, "Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока".- М.1968г.
4. Ю.С. Забродин, Промышленная электроника: учебник для вузов. - М. Высш. школа, 1982. -496с. ил.
5. Дьяконов В.П., Абрамченко И.В. "MATLAB 5.0/5.3. Системы символьной математики", Москва, "Нолидж", 1999г.
6. Шумяцкий В.М. Обоснование параметров комбайнового электропривода с учетом реальных режимов работы двигателя и электрической сети участка шахт/Автореферат дисертации на соискание ученой степени к.т.н.-Д.:1984г.
7. Бурковский А.Н. Нагрев и охлаждение электродвигателей взрывонепроницаемого исполнения.-М.:Энергия, 1970г.