CC BY
7УДК 621.313.33
К.Р. Федосеев, Н.С. Рябовол, Г.С. Мясников, О.А. Белов
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В КРАТКОВРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ С НОМИНАЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ
Основным источником механической мощности для большинства судовых механизмов является асинхронный электропривод. Обеспечение эффективной и надежной работы судовых электроприводов является важной и актуальной задачей. Решение этой задачи усложняется многообразием режимов работы современных электроприводов. Исследование тепловых процессов в асинхронном электроприводе позволяет определить оптимальные параметры мощности при выборе электродвигателя, а также обеспечить эффективную тепловую защиту электропривода. Кратковременный режим работы является специфичным режимом для целого ряда судовых силовых электроприводов. В данной статье проводится анализ тепловых процессов в кратковременном режиме работы асинхронного электропривода при номинальной нагрузке. Исследования выполнялись на специально разработанном стенде в лабораторных условиях.
Ключевые слова: асинхронный электропривод, режим работы электропривода, тепловые процессы, электрическая защита, эффективность, надежность.
K.R. Fedoseev, N.S. Ryabovol, G.S. Myasnikov, O.A. Belov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
RESEARCH OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR THERMAL PROCESSES IN A SHORT-TERM OPERATION AT RATED LOAD
The main source of mechanical power for most ship machinery is an asynchronous electric drive. Ensuring efficient and reliable operation of ship electric drives is an important and urgent task. The solution to this problem is complicated by the variety of operating modes of modern electric drives. The study of thermal processes in an asynchronous electric drive makes it possible to determine the optimal power parameters when choosing an electric motor, as well as to provide effective thermal protection of the electric drive. Short-term operating mode is a specific mode for a number of marine power electric drives. This article analyzes thermal processes in the short-term operating mode of an asynchronous electric drive at rated load. The studies were carried out on a specially designed stand in laboratory conditions.
Key words: asynchronous electric drive, electric drive operating mode, thermal processes, electrical protection, efficiency, reliability.
Характер тепловых процессов в асинхронном электродвигателе зависит от величины полных потерь (основных и дополнительных от высших гармоник напряжения), установленных величин нагрузки, закона регулирования, а также от условий охлаждения и режима работы электропривода. Таким образом, тепловое состояние, т. е. температура отдельных частей двигателя представляет собой функцию многих параметров [1].
Нагрев двигателя происходит за счет потерь, которые возникают в нем при преобразовании электрической энергии в механическую. Электрические потери (в меди) вызывают нагрев обмоток, магнитные потери - нагрев стали ротора и статора; механические - подшипников, поверхности ротора и всех частей, где происходит трение.
Особое значение имеет нагрев изоляции обмоток. Мощность двигателя должна быть выбрана такой, чтобы он всегда работал при температуре, допустимой для класса изоляции, используемой
в данном двигателе. Перегревание обмоток на 8-10 градусов выше допустимой температуры изоляции вызывает интенсивное ее старение и снижение срока службы некоторых видов изоляции в два раза. Недопустимым является даже кратковременное превышение предельно допустимой температуры для данного класса изоляции, поскольку это приводит к ее разрушению [2].
Для построения эффективной тепловой защиты электропривода требуется соответствующая информация о тепловых процессах, протекающих в электродвигателе в различных режимах его работы. Так же данная информация необходима при выборе эффективного электропривода для конкретного механизм [3].
Режимы работы электродвигателей - это определенный порядок чередования периодов, который характеризуется продолжительностью и величиной нагрузки, условиями охлаждения, частотой пуска и охлаждений, частотой реверса и соотношениями потерь в периоды установившегося движения и пуска.
Кратковременный режим работы электродвигателя (S2) характеризуется непродолжительным рабочим периодом (по стандартам 10, 30, 60, 90 мин) без нагрева двигателя до установившейся температуры с последующим его охлаждением во время паузы до температуры окружающей среды. В паспорте двигателя указывается продолжительность рабочего периода (например, S2 - 60 мин).
Согласно ГОСТ 183-74 номинальный режим работы электрических машин должен соответствовать графику для кратковременного режима, представленному на рис. 1.
Лабораторный стенд позволяет моделировать различные режимы работы электропривода, изменять величину нагрузки, условия охлаждения и регистрировать температуру электродвигателя в процессе работы. Регистрируется температура обмотки статора (кривая 1 на рис. 2) и температура корпуса статора (кривая 2 на рис. 2). Графики строились в программе Owen Process Manager [4].
Исследование кратковременного режима работы асинхронного электропривода проводилось при номинальной нагрузке в 100%. Номинальная сила тока статора в исследуемом электродвигателе составляет 4 А. Опыты для кратковременного режима работы электродвигателя проводились для периодов с продолжительностью работы согласно стандарту 10, 30, 60 и 90 мин с последующим его охлаждением во время паузы до температуры окружающей среды. Интервал между опытами также определялся временем охлаждения двигателя до температуры окружающей среды.
Перед началом первого опыта стенд двое суток простоял в закрытом помещении, начальная температура окружающей среды составила 22°С. При последующих включениях и опытах температура окружающей среды составляла около 24°С.
Опыт для кратковременного режима работы электродвигателя с продолжительностью работы 10 мин проводился с тремя включениями. В остальных опытах количество включений определялось целесообразностью повторения.
На рис. 2 представлены результаты исследования тепловых процессов в статоре асинхронного электропривода в кратковременном режиме работы при номинальной нагрузке с продолжительностью периода включения 10 мин. Количество включений - три.
Максимальная температура в данном режиме работы составила 36,3°С на корпусе статора и 34,1°С в статорной обмотке. При первом включении более низкая температура в конце периода работы обусловлена соответствующими начальными условиями опыта. Время охлаждения электродвигателя до температуры окружающей среды составило 24 мин. Разница температур в контрольных точках незначительная, на максимуме составляет 2,2°С. При этом более интенсивный рост температуры наблюдается на корпусе статора, что обусловлено большими магнитными потерями. Снижение температуры во время паузы также более интенсивно происходит на поверхности статора из-за лучших условий охлаждения [5].
Рис. 1. График кратковременного режима работы согласно ГОСТ 183-74
Зг.7(8
в гк
книиз 11 03(14
11.10 11 50 11.30 1И0 11.90 12.00 1210
12-гя
12» 124С
161В 2021
иягоз
Рис. 2. Температурные кривые асинхронного электропривода в кратковременном режиме работы при номинальной нагрузке с продолжительностью периода 10 мин
На рис. 3 представлены результаты исследования тепловых процессов в статоре асинхронного электропривода в кратковременном режиме работы при номинальной нагрузке с продолжительностью периода включения 30 мин. Количество включений - два.
Рис. 3. Температурные кривые асинхронного электропривода в кратковременном режиме работы при номинальной нагрузке с продолжительностью периода 30 мин
Максимальная температура в данном режиме работы составила 48,5°С на корпусе статора и 46,1°С в статорной обмотке. Время охлаждения электродвигателя до температуры окружающей среды составило 29 мин. Разница температур в контрольных точках незначительная, на максимуме составляет 2,5°С. При этом более интенсивный рост температуры наблюдается на корпусе статора, что обусловлено большими магнитными потерями. Снижение температуры во время паузы также более интенсивно происходит на поверхности статора из-за лучших условий охлаждения.
На рис. 4 представлены результаты исследования тепловых процессов в статоре асинхронного электропривода в кратковременном режиме работы при номинальной нагрузке с продолжительностью периода включения 60 мин. Количество включений - одно. Уменьшение количества включений обусловлено полученной информацией из предыдущих опытов, согласно которой график будет повторяться с каждым циклом.
Рис. 4. Температурные кривые асинхронного электропривода в кратковременном режиме работы при номинальной нагрузке с продолжительностью периода 60 мин
Максимальная температура в данном режиме работы составила 54,5° С на корпусе статора и 51,1°С в статорной обмотке. Время охлаждения электродвигателя до температуры окружающей среды составило 25 мин. Разница температур в контрольных точках незначительная, на максимуме составляет 2,5°С. При этом более интенсивный рост температуры наблюдается на корпусе статора, что обусловлено большими магнитными потерями. Снижение температуры во время паузы также более интенсивно происходит на поверхности статора из-за лучших условий охлаждения.
На рис. 5 представлены результаты исследования тепловых процессов в статоре асинхронного электропривода в кратковременном режиме работы при номинальной нагрузке с продолжительностью периода включения 90 мин. Количество включений - одно.
Рис. 5. Температурные кривые асинхронного электропривода в кратковременном режиме работы при номинальной нагрузке с продолжительностью периода 90 мин
В данном режиме работы максимальная температура составила 54,5°С на корпусе статора и 51,3°С в статорной обмотке. Разница температур в контрольных точках в сравнении с предыдущими опытами увеличилась и составила на максимуме 3,2°С. Время охлаждения электродвигателя до температуры окружающей среды составило 22 мин. При этом более интенсивный рост температуры наблюдается на корпусе статора, что обусловлено большими магнитными потерями. Снижение температуры во время паузы также более интенсивно происходит на поверхности статора из-за лучших условий охлаждения.
Также следует отметить, что за период времени в 90 мин температура в контрольных точках стабилизируется, и ее рост прекращается. Как видно на графике, температурные кривые становятся более пологими, что практически соответствует длительному режиму работы с установившейся температурой в контрольных точках статора [6].
Сравнительный анализ полученных характеристик позволяет сделать следующие выводы:
1. Температурные кривые кратковременного режима работы с номинальной нагрузкой, представленные на рис. 2-5, соответствуют графику кратковременного режима работы согласно ГОСТ 183-74.
2. Значение максимальной температуры увеличивается при увеличении периода включения электропривода. В режиме включения 60 мин наблюдается начало процесса стабилизации температуры, а в режиме включения 90 мин происходит стабилизация теплового процесса асинхронного электропривода, и график данного режима практически соответствует длительному режиму работы. Время охлаждения электродвигателя до температуры окружающей среды в большей степени определяется условиями охлаждения.
3. Данные, полученные в результате исследования кратковременного режима работы асинхронного электропривода, можно использовать при разработке, настройке и отладке элементов защиты и управления судовыми асинхронными электроприводами.
Литература
1. Осташевский Н.А., Петренко А.Н. Математическая модель теплового состояния частотно-управляемого асинхронного двигателя в стационарных режимах // Проблемы дорожного электропривода. Теория и практика: Тематический выпуск научно-технического журнала «Элек-троинформ». - 2009. - С. 266.
2. Белов О.А. Общий алгоритм развития опасных ситуаций в судовых условиях // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Восьмой всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2017. - С. 51-54.
3. Рябинин И.А., Парфенов Ю.М. Надежность, живучесть и безопасность корабельных электроэнергетических систем. - СПб.: ВМА, 1997. - 430 с.
4. Белов О.А. Методология оценки технического состояния электрооборудования при развитии параметрических отказов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2015. - № 3. - С. 96-102.
5. Пантина А.И., Белов О.А. Контроль технического состояния судовых асинхронных двигателей на основе характеристик внешнего электромагнитного поля // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2017. - Т. 13, № 1. - С. 32-36.
6. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л.: Энерго-атомиздат, 1985. - 247 с.
