Определение параметров схемы замещения асинхронных электродвигателей

Аннотация

Т.И. Бугеря, А.В. Светличный Разработка устройства диагностики асинхронного двигателя в процессе эксплуатации. В статье рассмотрены методы определения параметров схемы замещения асинхронных электродвигателей. Сформулированы требования к методике их расчета при наладке приводов с частотными преобразователями и моделировании.

При наладке некоторых преобразователей частоты для управления асинхронными электродвигателями (АД) требуется введение параметров схемы замещения электродвигателя. Как правило, у наладчика под рукой имеется только формуляр электродвигателя с данными о номинальных параметрах:

• мощность Pн, кВт;
• скорость вращения nн, об/мин;
• коэффициент полезного действия ?н;
• коэффициент мощности cos?н;
• напряжение Uн, В.

Такие же проблемы возникают при моделировании электроприводов с асинхронными электродвигателями в программном пакете Matlab (приложение Simulink), где используется Т-образная схема замещения АД (рис. 1)

На схеме приняты следующие обозначения:

• Uф – фазное напряжение, В;
• I1 – ток статора, А;
• I2′ – приведенный к статору ток ротора, А;
• Iμ – ток намагничивания, А;
• X1 – индуктивное сопротивление статора, Ом;
• R1 – активное сопротивление статора, Ом;
• X2′ – индуктивное сопротивление ротора, приведенное к статору, Ом;
• R2′ – активное сопротивление ротора, приведенное к статору, Ом.

За последние годы опубликовано много работ, посвященных вопросу нахождения параметров схемы замещения АД по паспортным данным. Первой из работ этой серии можно считать статью [1] «Определение параметров схемы замещения асинхронных двигателей по каталожным данным», авторов Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Кирякин А.А., опубликованную в журнале Электричество в 1998 году. Достоинством предложенного подхода является определение параметров схемы замещения на всех участках механической характеристики. Однако для ее реализации требуется информация о коэффициентах полезного действия и мощности при различной загрузке электродвигателя, которая не всегда доступна.

Для нахождения параметров схемы замещения АД при параметрировании частотных преобразователей ВЕСПЕР, Lenze и некоторых других, не оснащенных функцией идентификации, в статье [2] Кувшинова А.И., Мухи Н.И. и Онищенко О.А. предлагается использовать метод экспертной оценки. Большое количество принимаемых допущений для разных диапазонов мощностей, а также необходимость выбора экспертных коэффициентов из предлагаемых диапазонов делают это методику неудобной для применения

Очень удобной для практического использования является итерационная методика расчета, представленная в опубликованной в 2005 году статье Усольцева А.А., Лукичева Д.В. «Определение параметров модели асинхронного двигателя по справочным данным» [3].

В работе [4] Ромашихина Ю.В. и Родькина Д.И. «Методы определения параметров машин переменного тока», опубликованной в 2010 году показано, что Г схема замещения дает существенные погрешности при расчете механических характеристик АД, а при использовании Т-схемы замещения надо учитывать комплексные сопротивления.

Работа [5] Островского А.В. «Безитерационная методика определения параметров машин переменного тока» является упрощенным вариантом подхода представленного в [1]. Однако следует согласиться с точкой зрения автора, что практическая методика должна быть не слишком сложной и удобной в использовании.

В статье Гридина В.М. «Расчет параметров схемы замещения асинхронных двигателей по каталожным данным» [6] предложен алгоритм расчета параметров Г-образной схемы замещения, достаточно сложный в реализации.

Целый ряд публикаций по вопросу определения параметров схемы замещения АД вышел в 2013 году [7-11]. Статья Макеева М.С. и Кувшинова А.А. «Алгоритм расчета параметров схемы замещения асинхронного двигателя по каталожным данным» [7] ориентирована на математическое описание АД как элемента системы электроснабжения, поэтому в ней рассматриваются мощные (>30 кВт) машины. Предложено в качестве исходной информации для расчета в дополнение к каталожным данным использовать значение тока холостого хода электродвигателя.

Практические задачи нахождения и использования параметров схемы замещения АД рассматриваются в работе Чепкунова Р.А. [8]. Приводится оценка погрешности работы преобразователей частоты при неправильном парметрировании и предлагается достаточно простой алгоритм нахождения параметров схемы замещения по паспортным данным. К сожалению, автор не приводит примеров расчета, позволяющих оценить погрешность предложенной методики.

В 2013 году выходит в свет книга авторов Пустоветов М., Солтус К., Синявский И. «Компьютерное моделирование асинхронных двигателей и трансформаторов» [9], в которой вопросу определения параметров схемы замещения посвящена 2 глава. Для асинхронных электродвигателей серии 4А предлагается использовать имеющиеся параметры для Г-образной схемы в относительных единицах, а для других серий применить разработанную авторами методику расчета. В качестве исходного параметра наряду с паспортными данными в ней используется коэффициент потерь Kp, определяющий отношение потерь в меди к суммарным потерям в электродвигателе. Как пишут сами авторы, от точности его выбора существенно зависит точность получаемых результатов.

Достаточно простая и удобная методика нахождения приближенных параметров схемы замещения, позволяющих корректно описать механическую характеристику на участке от холостого хода s=0 до критического скольжения s=1, приведена в методических указаниях [10]. Для получения близких к паспортным значений номинального и критического момента требуется правильно подобрать коэффициент ?, характеризующий отношение активного сопротивления статора к приведенному активному сопротивлению ротора.

Также в 2013 году выходит в свет учебное пособие «Электрические машины», [11] автор которого включает в раздел расширенную по сравнению с [2] методику определения параметров схемы замещения, дополнив оценкой получаемых результатов. На сегодняшний день этот материал можно считать наиболее полным по рассматриваемому вопросу. Однако, в [12] он же делает оговорку то том что «В целом можно сделать заключение о том, что рассмотренная математическая модель асинхронного двигателя и методика расчёта её параметров дают вполне удовлетворительный результат для машин мощностью от 5 до 250 кВт. Для машин меньшей мощности требуется уточнение модели и методики расчёта параметров».

Несмотря на большое количество работ по вопросу определения параметров схемы замещения АД по паспортным данным на сегодняшний день отсутствует простая и удобная для применения методика. Для ее разработки сформулируем исходные требования.

1. Исходными данными для расчета должны служить паспортные данные электрических двигателей и фиксированные коэффициенты, не требующие выбора по экспертной оценке.
2. Алгоритм расчета должен быть линейным, без итерационных циклов.
3. Полученные в результате расчета параметры Т-образной схемы замещения АД должны давать адекватные значения номинального тока и момента и критического моментов и скольжения, т.е. определять механическую характеристику АД на рабочем участке.

Выводы

1. Несмотря на большое количество работ по вопросу определения параметров схем замещения асинхронных двигателей по каталожным данным на сегодняшний день отсутствует удобная для использования методика.
2. Для целей параметрирования преобразователей частоты и моделирования электроприводов с АД без детального анализа переходных процессов достаточно иметь параметры схемы замещения для рабочего участка механической характеристики.

Список использованной литературы

1.Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я. Кирякин А.А. Определение параметров схемы замещения асинхронных двигателей по каталожным данным // Электричество.- 1998.- №4. - С. 38-42.
2. Кувшинов А. И. Идентификация параметров схемы замещения асинхронного электродвигателя на основе экспертных оценок / А. И. Кувшинов, Н. И. Муха, О. А. Онищенко // Автоматизация судовых технических средств. - 2007. - Вып.12. - С. 78-85.
3. Усольцев А.А., Лукичев Д.В. Определение параметров модели асинхронного двигателя по справочным данням / Усольцев А.А., Лукичев Д.В. – Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2008.- №10. Том 51- С.35-41.
4. Ромашихин Ю.В., Родькин Д.И. Методы определения параметров машин переменного тока. // Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 4/2010 (63). Частина 3. – С. 140-143.
5. Островский А.В. Безитерационная методика определения параметров схемы замещения асинхронного двигателя. // В сб. Праці ТДАТУ, 2012 вип.. 12 Т2. С. 66-72.
6. Гридин В.М. Расчет параметров схемы замещения асинхронных двигателей по каталожным данным / Электричество.- 2012. № 5, С. 40-45.
7. Макеев М.С., Кувшинов А.А. Алгоритм расчета параметров схемы замещения асинхронного двигателя по каталожным данным. // Вектор науки Тольяттинского государственного университета Выпуск № 1 (23). - 2013.- С. 108 -112.
8. Чепкунов Р.А. Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя по паспортным данным при вводе в эксплуатацию асинхронного электропривода // Інженерні та освітні технології в електротехнічних і комп`ютерних системах. -2013 №4.- С. 56-62.
9. Пустоветов М., Солтус К., Синявский И. Компьютерное моделирование асинхронных двигателей и трансформаторов.LAP LAMBERT Academic Publishing.- 2013. – 200 c.
10. Электрический привод: методические указания / сост. М.В. Петрова. – Ульяновск: УлГТУ, 2013 – 50 с.
11. Усольцев А.А. Электрические машины/Учебное пособие. СПб: НИУ ИТМО, 2013, – 416 с.
12. Усольцев А.А. Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя по справочным данным [Электронный ресурс] / [Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра электротехники и прецизионных электромеханических систем]. – URL: http://ets.ifmo.ru/usolzev/wopros/op_ad.pdf (дата обращения: 10.05.2016).