CC BY
111
УДК 621.313.2
А.Н. Петренко, В.И. Танянский, Н.Я. Петренко
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОТЕРН МОЩНОСТИ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ВЫСШИХ ГАРМОНИК НАПРЯЖЕНИЯ
Виконаний огляд додаткових втрату частотно-керованого асинхронного двигуна АИР 16084 від вищих гармонік напруги. Пропонуються заходи для зменшення додаткових втрат за рахунок зміни геометрії зубцевого прошарку ротора.
Рассмотрены вопросы определения дополнительных потерь в частотно-управляемом асинхронном двигателе АИР 16084 от высших гармоник напряжения. Предложены мероприятия по снижению дополнительных потерь за счет изменения зубцовой зоны ротора.
Введение. Применение регулируемых электроприводов позволяет повысить эффективность производства, расширяет возможность механизации и автоматизации технологических процессов, при этом улучшить энергетический коэффициент ("фСОБф) асинхронного двигателя. В эксплуатации находится большое количество электроприводов на базе частотно-управляемых асинхронных двигателей, которые питаются напряжением ступенчатой формы от полупроводникового преобразователя частоты с автоном-ным инвентором (11114 с АИН).
Несинусоидальность напряжения при частотном регулировании приводит к возникновению дополнительных потерь в обмотках и магнитопроводе от высших гармоник тока и магнитного потока, созданных высшими гармониками питающего напряжения [1].
В данной статье приводятся результаты исследования потерь мощности в зависимости от назначения и режимов работы асинхронного электропривода. Объектом исследования является асинхронный двигатель АИР 16084 исполнения 1Р44, 1СО 141. Р2М=15кВт, иш=380В, 1?ш=50Гц, 2р=4, режим работы 81 (длительный).
Исследование потерь мощности. В общем случае при частотном управлении двигателем напряжение на зажимах статора регулируется как в функции относительной частоты а = /\//ш (коэффициента регулирования), абсолютного скольжения р = /2//ш, определяемого нагрузкой на валу, а относительное напряжение у = и1/П1^ есть функция а и р.
Основные потери мощности электрические, магнитные и механические зависят от коэффициента регулирования и определялись по известным методикам [3], при этом определяющими факторами, влияющими на изменение намагничивающего тока и магнитных потерь, являлись магнитный поток и частота питающего напряжения.
Для определения дополнительных потерь выполнен расчет высших гармоник с использованием метода "гармонических двигателей", основанном на принципе наложения. Согласно этому методу каждой высшей гармонике напряжения соответствует свой "гармонический двигатель" [2, 3].
При соединении обмотки статора в звезду третьи и кратные трем гармоники тока отсутствуют, т.е. имеют
место гармоники с номерами V = 6К±1 (где К= 1,2,3,_).
Практикой проектирования установлено, что необходим учет высших гармоник с номерами не выше 19. Таким образом, при некоторой частоте / будем рассматривать шесть "гармонических двигателей" с частотами на выходе соответственно (5,7,11,13,17,19/ где / - частота напряжения на выходе инвертора напряжения Л\=Лтша.
Частота вращения магнитных полей, создаваемых высшими гармониками тока = щ -V, где V - номер гармоники. Тогда относительное скольжение
Щ • V + «2
^=-
1+1.
V
(1)
В первом приближении можно принять, что относительное скольжение для высших гармоник равно единице, т.е. для них ротор неподвижен. При расчете дополнительных потерь в обмотках учитывается изменение активных и индуктивных составляющих сопротивлений за счет эффекта вытеснения тока с помощью коэффициента Фильда К„, К„ [3]. Для обмотки статора коэффициентом вытеснения пренебрегаем, а для обмотки ротора влияние вытеснения тока необходимо учитывать во всех случаях. Таким образом:
г2у = К2г • г2 ; Х2у = К2ху ■ Х^ -у'а, где X2N - индуктивное сопротивление рассеяния ротора при частоте Лт-
В исследуемом двигателе АИР 16084 ротор выполнен из алюминиевого сплава А7. Приведенная высота стержня ротора
^у2 _ (чсг/ьсг)'
1/
2 Рї со ■ Ца
Л
(2)
где дсг, Ьсг - сечение и средняя ширина стержня; pt -удельное сопротивление материала стержня при расчетной температуре; ю = 271/1дта-6К, где Л=1,2,3; ц = 12,56-10 7 Гн/м.
Если приведенная высота стержня ^2 > 2, то коэффициенты увеличения активного сопротивления и уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния ротора будут
К2гу = 1 + (^у2 _ !)• Т^; К2XV =1 + (фх (^у2)_ 1)’ Т^,
2 1Ш2
где Фх2)=1,5/^2 .
При расчете высших гармоник тока намагничивающим контуром в схеме замещения можно пренебречь ввиду малости амплитуд высших гармоник и повышенной частотой.
*14= 1 2у=-
и1М -У
-а-К2ху)
где П1М- у - действующее значение первой гармоники напряжения.
Электрические потери в обмотках статора и ротора от высших гармоник тока будут: у=19 і
(3)
Рэл\у X \п1 ■ ' Г1' КЛ
у=6К +1
(4)
34
2074-272Х. Електротехніка і Електромеханіка. 2012. №5
у=19/
Рэл2у = Е Ц (72у ) • г2 ' К2ту ' К12], (5)
у=6К+1
где Ка и К2 -температурные коэффициенты обмоток статора и ротора.
Высшие гармоники напряжения создают магнитные поля, обусловливающие дополнительные потери в магнитопроводе. Поскольку скольжение ротора по отношению к этим полям будет близко к единице, то магнитные потери будут иметь место и в роторе.
Р - P 1 магу ~1 мага
f R ^ Bv 2 f ^ і
1B1 у v f1N 'ay
mc + m.
(6)
где РМага - основные магнитные потери при /1 = /ша; Бу, В1 - индукция от потока высших гармоник и от основной гармоники; /,, а-/ш - частота напряжения высшей и основной гармоники; тс статора и ротора.
В первом приближении
mp -масса стали
Bv =
Чу
=4l _L = B _L f 2 1 2 ' f1 V V
Суммируя потери от всех гармоник, получим
Рмагу ~ рмага '
mc + m,
ж
• Zv
v=6K+1
(4-й)
(7)
Дополнительные магнитные потери от высших гармоник магнитного потока при различных законах регулирования и значениях коэффициента регулирования а проводились в соответствии с (7), принимая п=1,6, тс=24,2 кг, тр=18 кг.
Суммарные дополнительные потери
X Рдот> = Рэл1у + Рэл2у + Рмагу . (8)
Результаты расчета суммарных дополнительных потерь в зависимости от закона регулирования для двигателя АИР 16084 приведены в табл. 1.
Таблица 1
Регулирование "вниз"
a, o.c 1,0 0,9 0,7 0,5
УР Rt ^ ДОП,У? 1J1 331 308 268 221
у = a, % 17,27 15,9 14,4 11,9
УР Rt ^ ДОП-Vj 1J1 331 250 131 55,4
у = a2, % 17,27 15,9 14,1 11,1
Регулирование "вверх"
a, o.c 1,0 0,9 0,7 0,5
УР Rt ^ ДОП,У? 1J1 331 314,5 293,4 276,5
у = Va , % 17,27 17,51 17,83 17,88
^PДO^R,Vl, ВТ 331 286,5 225,6 184
Y = 1 17,27 15,12 11,31 8,81
ВЫВОДЫ
1. Анализ результатов расчета дополнительных потерь частотно-управляемого асинхронного двигателя при питании от ППЧ с АИН со ступенчатой формой напряжения подтвердил наличие всех составляющих основных и дополнительных электрических и магнитных потерь мощности в обмотках и сердечниках статора и ротора, обусловленных высшими гармоническими напряжения.
2. Величина дополнительных электрических потерь зависит от закона регулирования и коэффициента регулирования и не зависят от нагрузки двигателя. Суммарные дополнительные потери от высших гар-
моник тока и магнитного потока составляют (8-17)% от суммы основных потерь, однако влияние этих потерь на нагрев отдельных элементов двигателя может быть существенным, особенно при малых нагрузках.
4. Дополнительные электрические потери от высших гармоник тока в обмотке ротора существенно уменьшаются за счет ослабления эффекта вытеснения тока при изменении геометрии зубцовой зоны ротора с учетом ограничений по величине индукции в зубце ротора и площади сечения стержня. В исследуемом двигателе высота паза уменьшена с 31 мм до 25 мм, диаметры в верхней и нижней частях паза увеличились с 7,4 мм до 8,22 мм и с 3,5 мм до 5,31 мм соответственно, что позволило уменьшить дополнительные потери при у = а = 1,0 на 29 %. При этом индукция в зубце ротора увеличилась с 1,66 Тл до 1,905 Тл, суммарная МДС на пару полюсов увеличилась на
0.8., таким образом изменением намагничивающего тока можно пренебречь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волков А.В. Математическая модель общих потерь мощности в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе / А.В. Волков, Ю.С. Сколько // Електротехніка і електромеханіка. - 2006. - № 2. - С. 22-77.
2. Малафеев С.И., Захаров А.В. Исследование потерь в асинхронном двигателе с частотным регулированием при переходных процессах / С.И. Малафеев, А.В. Захаров // Электротехника. - 2008. - № 7. - С. 2-6.
3. Осташевский Н.А. Потери частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных законах регулирования и типах преобразователей частоты./ Н.А. Осташевский, В.И. Иваненко, А.Н. Петренко // Електротехніка і електромеханіка. - 2009. - № 3. - С. 37-41.
Bibliography (transliterated): 1. Volkov A.V. Matematicheskaya model' obschih poter' moschnosti v chastotno-reguliruemom asinhronnom 'elektroprivode / A.V. Volkov, Yu.S. Skol'ko // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2006. - № 2. - S. 22-77. 2. Malafeev S.I., Zaharov A.V. Issledovanie poter' v asinhronnom dvigatele s chastotnym regulirovaniem pri perehodnyh processah / S.I. Malafeev, A.V. Zaharov // 'Elektrotehnika. - 2008. - № 7. - S. 2-6. 3. Ostashevskij N.A. Poteri chastotno-upravlyaemogo asinhronnogo dvigatelya pri razlichnyh zakonah regulirovaniya i tipah preobrazovatelej chastoty./ N.A. Ostashevskij, V.I. Ivanenko, A.N. Petrenko // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2009. - № 3. - S. 37-41.
Поступила 18.06.2012
Петренко Александр Николаевич,
начальник расчетного отдела СКБ ХЭЛЗ "Укрэлектромаш" 61050, Харьков, ул. Искринская, 37
Танянский Владислав Юрьевич,
ПетренкоНиколай Яковлевич, к.т.н., доц.
Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" каф. "Электрические машины"
61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21
Petrenko A.N., Tanyanskyi V.I., Petrenko N.Y.
Additional power loss in a frequency-controlled induction motor due to voltage higher harmonics.
Problems of calculating additional power loss in a frequency-controlled induction motor AIP 160S4 resulted from voltage higher harmonics are considered. Ways of the loss reduction through changing the rotor tooth zone are suggested.
Key words - frequency-controlled induction motor, additional power loss, rotor tooth zone variation.
m
c
m
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2012. №5
35
