CC BY
5УДК 621.313.33
Г.С. Мясников, К.Р. Федосеев, Н.С. Рябовол, О.А. Белов
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ С ВАРИАТИВНОЙ 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. Продолжительный режим работы является основным для большинства судовых механизмов. В данной статье проводится анализ тепловых процессов в асинхронном электроприводе при различной нагрузке. Исследования выполнялись на специально разработанном стенде в лабораторных условиях.
Ключевые слова: асинхронный электропривод, режим работы электропривода, тепловые процессы, электрическая защита, эффективность, надежность.
G.S. Myasnikov, K.R. Fedoseev, N.S. Ryabovol, O.A. Belov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
RESEARCH OF THERMAL PROCESSES OF AN ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR IN CONTINUOUS OPERATION WITH VARIABLE 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 of 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. Continuous operation is basic for most ship mechanisms. The thermal processes in an asynchronous electric drive under different loads are analyzed in the article. 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.
Тепловая защита электродвигателей - это система, которая предназначена для предотвращения перегрева двигателя и его повреждения. Она работает путем отключения электродвигателя, когда его температура превышает определенный уровень [1].
Однако современные электродвигатели становятся все более мощными и компактными, что приводит к увеличению тепловыделения и требует более эффективной тепловой защиты. Кроме того, некоторые устройства требуют работы электродвигателя при высоких температурах, что также требует более надежной и чувствительной тепловой защиты [2, 3].
Для построения эффективной тепловой защиты электропривода требуется соответствующая информация о тепловых процессах, протекающих в электродвигателе в различных режимах его работы. Также данная информация необходима при выборе эффективного электропривода для конкретного механизма. Режимы работы электродвигателей - это определенный порядок чере-
Мощность
Потери
Температура
N
дования периодов, который характеризуется продолжительностью и величинои нагрузки, условиями охлаждения, частотой пуска и охлаждений, частотой реверса и соотношениями потерь в периоды установившегося движения и пуска.
Основные режимы электроприводов определены ГОСТ 183-74. Данным документом определены восемь режимов работы, условно маркированных согласно международной классификации S1-S8. Производители в обязательном порядке включают номинальные данные на основные режимы в каталоги и паспорт электродвигателя.
Большинство судовых потребителей работает в продолжительном режиме. Продолжительный режим (S1) предусматривает длительный и беспрерывный рабочий период, во время которого двигатель нагревается до установившейся температуры. Графические параметры продолжительного режима работы представлены на рис. 1.
Лабораторный стенд позволяет моделировать различные режимы работы электропривода, изменять величину нагрузки, условия охлаждения и регистрировать температуру электродвигателя в процессе работы. Осуществлялся контроль и регистрация температуры обмотки статора (кривая 1 на рис. 2) и температура корпуса статора (кривая 2 на рис. 2). Графики строились в программе Owen Process Manager [4, 5].
Исследование продолжительного режима работы проводилось на холостом ходу при нагрузке 10% от номинальной, 50% от номинальной и в номинальном режиме работы. Продолжительность каждого опыта определялась временем стабилизации температуры в контрольных точках в данном режиме работы. Интервал между опытами определялся временем охлаждения двигателя до температуры окружающей среды.
На рис. 2 представлены результаты исследования тепловых процессов в статоре асинхронного электропривода в длительном режиме работы на холостом ходу.
9 max
Время
Рис. 1. Графики продолжительного режима работы согласно ГОСТ 183-74
Рис. 2. Температурные кривые асинхронного электропривода в длительном режиме работы на холостом ходу
Опыт проводился при естественном охлаждении в лабораторных условиях. Электродвигатель в исследуемом режиме работы вышел на установившуюся температуру через 1 ч 57 мин. Установившаяся температура корпуса статора составила 63,7°С, температура обмотки статора стабилизировалась при значении 58,6° С. Разница температур корпуса и обмотки статора составила 5,1°С.
На рис. 3 представлены результаты исследования тепловых процессов в статоре асинхронного электропривода в длительном режиме работы при нагрузке 10% от номинальной.
Рис. 3. Температурные кривые асинхронного электропривода в длительном режиме работы
при нагрузке 10% от номинальной
Опыт проводился при естественном охлаждении в лабораторных условиях. Электродвигатель в исследуемом режиме работы вышел на установившуюся температуру через 2 ч 11 мин. Установившаяся температура корпуса статора составила 61,3°С, температура обмотки статора стабилизировалась при среднем значении 56,7°С. Разница температур корпуса и обмотки статора составила 4,6° С.
Колебания температуры на графике обусловлены воздействием внешней среды. Открытое пространство лаборатории способствует циркуляции воздушных масс и изменению условий охлаждения электродвигателя. Чувствительность температурных датчиков достаточно высокая для регистрации этих колебаний, чем и обусловлены пульсации температуры на графике [6].
Кроме того, в этих условиях обеспечивается интенсивное охлаждение электродвигателя, что увеличивает продолжительность эксперимента. Поэтому было принято решение изолировать установку от окружающей среды, поместив ее в замкнутое пространство. Это обеспечивает построение более плавного графика изменения температуры и сокращает время эксперимента. Точность показаний и форма характеристик при этом не меняются. Изоляция установки от внешней среды произведена на временном промежутке 12:06-12:10, что отображено на графике интенсивным ростом температуры с последующей стабилизацией.
Таким образом, последующие опыты проводились также в лабораторных условиях, но установка размещалась в изолированном от внешних воздействий пространстве.
На рис. 4 представлены результаты исследования тепловых процессов в статоре асинхронного электропривода в длительном режиме работы при нагрузке 50% от номинальной.
Рис. 4. Температурные кривые асинхронного электропривода в длительном режиме работы
при нагрузке 50% от номинальной
Опыт проводился при естественном охлаждении в лабораторных условиях при размещении установки в изолированном пространстве. Электродвигатель в исследуемом режиме работы вышел на установившуюся температуру через 1 час 39 минут.
Установившаяся температура корпуса статора составила 60,7°С, температура обмотки статора стабилизировалась при среднем значении 56,5° С. Разница температур корпуса и обмотки статора составила 4,2°С.
Анализ температурных кривых на рис. 4 показывает, что импульсов температуры не наблюдалось, выход на установившуюся температуру происходил плавно без попыток корректировки, что подтвердило дальнейшую необходимость изолировать стенд от внешней среды.
На рис. 5 представлены результаты исследования тепловых процессов в статоре асинхронного электропривода в длительном режиме работы при номинальной нагрузке.
Опыт проводился при естественном охлаждении в лабораторных условиях при размещении установки в изолированном пространстве. Электродвигатель в исследуемом режиме работы вышел на установившуюся температуру через 2 ч 2 мин. Установившаяся температура корпуса статора составила 59,1°С , температура обмотки статора стабилизировалась при среднем значении 55,9°С. Разница температур корпуса и обмотки статора составила 3,2°С.
Сравнительный анализ полученных характеристик позволяет сделать следующие выводы:
Температурные кривые продолжительного режима работы с различной величиной нагрузки, представленные на рис. 2-5, соответствуют графику продолжительного режима работы согласно ГОСТ 183-74.
Температура стабилизации теплового процесса асинхронного электропривода имеет тенденцию к снижению при увеличении нагрузки на валу электропривода. Это обусловлено снижением электрических и магнитных потерь в статоре и ростом КПД электропривода при увеличении нагрузки.
Разница температур корпуса и обмотки статора на этапе стабилизации при увеличении нагрузки сокращается в первую очередь за счет снижения температуры корпуса статора. Так как температура корпуса статора характеризует величину магнитных потерь, а температура обмотки статора характеризует электрические потери, то можно сделать вывод, что снижение магнитных потерь происходит более интенсивно, чем электрических [7].
Рис. 5. Температурные кривые асинхронного электропривода в длительном режиме работы
при номинальной нагрузке
Данные, полученные в результате исследования продолжительного режима работы асинхронного электропривода, можно использовать при разработке, настройке и отладке элементов защиты и управления судовыми асинхронными электроприводами.
Литература
1. Рябинин И.А., Парфенов Ю.М. Надежность, живучесть и безопасность корабельных электроэнергетических систем. - СПб.: ВМА, 1997. - 430 с.
2. 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.
3. 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.
4. Труднев С.Ю., Юрьев Р.А., Марченко А.А. Разработка устройства диагностики защитной аппаратуры судового электрооборудования на основе ионистора / // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы Пятой всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2014. - С. 147-148.
5. 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.
6. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л.: Энерго-атомиздат, 1985. - 247 с.
7. 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.
