CC BY
95
УДК 62-83:621/.69
Л.Б. Масандилов, д-р техн. наук, проф., (495) 362-75-41, MasandilovLB@mpei.ru,
А. А. Галкин, асп., (495) 362-75-41, Alexqwerty3@rambler.ru, С.Е. Новиков, асп., (495) 362-75-41, nse02@rambler.ru (Россия, Москва, МЭИ(ТУ))
БЕЗРЕДУКТОРНЫЙ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НИЗКОСКОРОСТНЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Описан принцип осуществления низкоскоростного асинхронного двигателя, с помощью которого в системе ПЧ-АД реализован безредукторный электропривод. Предложен простой способ определения параметров схемы замещения АД и характеристик электропривода. Приводятся результаты экспериментальных исследований подтверждающие привлекательные свойства безредукторного электропривода.
Ключевые слова: безредукторный электропривод, способ определения параметров схемы замещения.
В результате успешного развития силовой и информационной электроники з а также прогресса в разработке систем регулируемого электропривода переменного тока определилась тенденция перехода к безредук-торному электроприводу рабочих машин. Особенно интенсивно эта тенденция реализуется в электроприводах лифтовых установок [2].
Безредукторные лифтовые лебедки оборудуются низкоскоростными электродвигателями. Из двигателей переменного тока в настоящее время значительное применение находят синхронные машины с постоянными магнитами, включенные по схеме вентильного двигателя. Вместе с тем большой интерес представляет использование безредукторных лебедок с асинхронными двигателями (АД), которые имеют преимущественное распространение в промышленности и, в частности, в лифтовых установках. Для безредукторного электропривода был разработан низкоскоростной асинхронный двигатель, снабженный повышенным числом витков на статоре [1]. Статор этого двигателя подключен к сети переменного тока через преобразователь частоты, а на валу ротора установлен канатоведущий шкив [2, 3].
При заданном моменте нагрузки Мз номинальная мощность типового АД, обмотка статора которого рассчитана на номинальное напряжение и номинальную частоту сети, составляет
^ном,т = Мз^ном, (1)
где £Уном - номинальная угловая скорость двигателя, которая близка к синхронной скорости cûo„ соответствующей при числе пар полюсов p номинальной частоте, т. е.
^ном = 2п/ном / Р • При том же заданном моменте нагрузки номинальная мощность низкоскоростного АД, работающего только при пониженных частотах в безредукторном электроприводе, составляет
Рном,н = М з^п, (2)
где соп - наибольшее значение пониженной угловой скорости, близкой к синхронной скорости й?о п ~ 2п/п / р, которая определяет значение пониженной частоты /п.
Поделив (1) на (2), получаем выражение
Рном,т _ /ном
(3)
р / 1 ном,н ./п
из которого следует, что отношение номинальных мощностей типового и низкоскоростного асинхронных двигателей пропорционально отношению номинальной и пониженной частот. Следовательно, типовой АД по сравнению с низкоскоростным АД имеет значительно большую мощность.
При частотном регулировании потери в АД не превышают номинальных, поэтому значения механической и потребляемой мощностей близки друг к другу, т.е.
Рном,т ~ 3ином^ном,т С0Б^1,т ;
Рном,н ~ 3ин1 ном,н С0Б^1,н , где ином, 1номт и С0Б^1т - номинальные значения напряжения сети, фазного тока и коэффициента мощности типового АД; ин, 1ном н и соб^ н -
фазное напряжение, номинальный ток и коэффициент мощности низкоскоростного АД.
Из последних выражений и формулы (3) следует приближенная формула
1ном,н _ ином , /п (4)
1 ~ и ' / '
1 ном,т ^ н ^ ном которая в зависимости от выбранного фазного напряжения ин низкоскоростного асинхронного двигателя определяет соотношение между номинальными токами типового и низкоскоростного АД.
Из (4) видно, что минимальное значение тока 1ном н низкоскоростного АД обеспечивается при ин = ином, т.е при пониженной частоте /п
обмотку статора низкоскоростного двигателя следует рассчитывать на напряжение, близкое к номинальному напряжению сети. В этом случае
1 ~ Т /п (5)
1 ном,н ~ 1 ном,т / •
/ном
Согласно последнему выражению номинальный ток низкоскоростного АД существенно (в несколько раз) меньше номинального тока типового АД. Поэтому при использовании низкоскоростных АД преобразователи частоты выбираются на относительно небольшие токи и имеют относительно небольшую стоимость.
В соответствии со сказанным важно отметить следующие положения:
- для безредукторного асинхронного электропривода, предназначенного для работы при пониженных частотах, нецелесообразно использовать типовые АД с обмоткой статора, рассчитанной на номинальное напряжение и номинальную частоту сети;
- для безредукторного электропривода следует использовать низкоскоростные АД, обмотки статора которых имеют повышенное по сравнению с типовыми АД число витков; в этом случае при заданных моментах нагрузки в статоре обеспечиваются минимальные значения токов;
- при использовании низкоскоростных АД преобразователи частоты выбираются на минимальные токи и, следовательно, имеют относительно небольшую стоимость;
- несмотря на повышенное число витков обмотки статора, низкоскоростной АД подключаются к сети с тем же номинальным напряжением, что и типовой серийный АД. При этом в процессе работы на низких частотах АД, подключенный к преобразователю частоты, имеет запас по напряжению, что и позволяет обеспечить минимальные значения токов в обмотках статора.
Для проведения анализа и выполнения расчетов электропривода с низкоскоростным АД необходимо иметь параметры его схемы замещения. Наиболее простой способ определения этих параметров основан на использовании следующего положения, которое приводится без доказательства. Допустим, что низкоскоростной двигатель выполнен на базе выбранного разработчиком АД, для которого известны конфигурация, все размеры, обмоточные данные и параметры Т-образной схемы замещения. Допустим также, что низкоскоростной АД отличается от этого базового АД только числом витков обмотки статора. Тогда параметры низкоскоростного АД связаны с известными параметрами базового АД следующим образом:
Х1н = Х1б •k2 ; X2н = X2б •k2 ; XОн = Х0б • k2 ; *1н = ^¡б •k2 ; R2н = R2б 'k2
w w www
(6)
где kw = wn / w6 - коэффициент, равный отношению числа витков wM обмотки статора низкоскоростного АД к числу витков w6 обмотки статора базового АД. При проведении оценочных расчетов коэффициент kw мож-
но заменить на коэффициент ки = ином н / ином б, равный отношению соответствующих фазных напряжений.
В формуле (6) параметры низкоскоростного и базового двигателей снабжены индексами «н» и «б» соответственно. Для расчетов переменных АД в установившихся режимах можно воспользоваться известными формулами, подставляя в них параметры согласно (6). Например, для действующего значения тока статора и электромагнитного момента АД можно использовать соответственно следующие формулы [4]:
г иф
71, н
X 0,н + XI, н )]!
2 2 н + Я
К,н<- ^)2 + (<,н + а,н)2 '
(7)
М = зиф(1 ,н
К / РМх0,н + Х1,н) «,на'г,на - Я)2 + (а'г,н + а,н)2 ' где иф, я и а)с = 2п/ - фазное напряжение, скольжение и круговая частота;
н = н / (Xо н + Х1 н) и аг н = Д2н / (Xо н + X2 н) - обобщенные параметры АД [4].
При проведении расчетов удобно в качестве базового двигателя принимать какой-либо типовой АД, например, серии 4А, для которого в [5] приведены параметры Т-образной схемы замещения.
Для проверки высказанных положений проведены экспериментальные исследования двух асинхронных двигателей одного типоразмера, выполненных на разные номинальные напряжения. В таблице приведены технические данные этих двигателей.
Номинальные данные исследуемых АД
Номер АД 1 2
Мощность, кВт 1,1 1,1
КПД, % 71 71
Напряжение, В 127/220 380/660
Ток, А 10,2/5,9 3,4/2,0
СоБф 0,69 0,69
Частота вращения, об/мин 930 930
Момент, Нм 11,3 11,3
С использованием нагрузочного стенда поочередно проведены измерения статических механических и электромеханических характеристик указанных двигателей. Питание двигателя в ходе экспериментов осуществлялось от преобразователя частоты.
Для двигателя № 1 по известным параметрам Т-образной схемы замещения по (6) рассчитаны статические механические (1, 3) и электромеханические (2, 4) характеристики. На рис. 1 для двигателя № 1 изображены
расчетные характеристики и точки, полученные при проведении экспериментов. Из рис. 1 видно, что результаты расчетов и экспериментов близки друг к другу, что подтверждает справедливость формул (6).
На рис. 2 приведены механические и электромеханические характеристики, рассчитанные по формулам (6) с использованием известных параметров схемы замещения АД № 1 для случая ку = 3. Данное значение коэффициента ку равно отношению номинальных напряжений испытуемых двигателей, следовательно, характеристики на рис. 2 относятся к АД № 2, но рассчитаны они по параметрам АД № 1 в соответствии с описанной методикой. На рис.2 для двигателя № 2 также изображены точки, полученные по результатам испытаний АД № 2. Из рис. 2. видно, что результаты расчетов и экспериментов близки друг к другу. Это подтверждает справедливость формул (5), определяющих параметры низкоскоростного АД.
Рис. 1. Механические и электромеханические характеристики АД № 1
<о,М сек
0Гц ~ ~ 85В --Л
■ -----ьш ^
/"= 10Гц [Т-180В 1 ~ —
М, Нм
О 4 8 12
Рис. 2. Механические и электромеханические характеристики
двигателя № 2
При рассмотрении характеристик, приведенных на рис.1, 2, видно, что АД № 2 развивает такие же, что и АД № 1, моменты при меньших значениях тока статора. Например, при частоте питающего напряжения 20 Гц АД № 1 развивает номинальный момент при токе 5,7 А, а двигатель № 2 тот же момент - при 1,9 А. Таким образом, если требуемая угловая скорость АД не превышает 45 рад/с, то для работы двигателя № 2 понадобится преобразователь частоты мощностью 0,75 кВт с номинальным линейным напряжением 380 В, а для двигателя № 1 - преобразователь частоты мощностью 2,2 кВт, рассчитанный на то же номинальное напряжение. Для более мощных электроприводов экономический эффект от использования тихоходных асинхронных двигателей становится более значительным.
На базе типового АД типа 4АМН180М8 мощностью 18,5 кВт изготовлен низкоскоростной АД [2, 3] для безредукторного частотно-управляемого электропривода пассажирского лифта. При проведении испытаний установлено, что при моменте нагрузки, близком к номинальному моменту типового АД, токи статора низкоскоростного АД в (3-3,5) раза меньше тока типового АД. При этом для работы электропривода с низкоскоростным АД требуется преобразователь частоты мощностью порядка 5,5 кВт, а для электропривода с типовым АД - 22 кВт. Таким образом, в случае использования низкоскоростного АД обеспечивается минимизация стоимости преобразователя частоты. Проведенные исследования низкоскоростного АД подтвердили привлекательные свойства безредукторного регулируемого электропривода. В процессе испытаний выявлены преимущества безредукторного электропривода лифта, в частности, высокий комфорт при движении кабины, отсутствие вибраций и шума.
Список литературы
1. Асинхронный двигатель для безредукторного электропривода: пат. № 55224 Рос. Федерация.Бюл.№21
2. И.С.Жолудев [и др.]. Безредукторный лифтовый привод // ЛИФ-ТИНФОРМ. 2008. № 10 (133). С. 75 - 79.
3. Асинхронный двигатель для безредукторного частотно-управляемого электропривода. Л.Б. Масандилов [и др.].// Труды МЭИ. 2009.Вып. 684. С. 4 - 9.
4. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе./ Соколов М.М. [и др.]. М.: Энергия,1967. 200 с.
5. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник/А.Э. Кравчик [и др.]. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.
L. Masandilov, A. Galkin, S. Novikov
Reductorfree frequency-controlled electric drive with low-speed asynchronous motor
The realisation principle of the low-speed asynchronous engine with which help in system the converter of frequency-asynchronous motor is described realised of the electric
88
drive without reducer. The simple way of definition ofparametres of an equivalent circuit the asynchronous motor and electric drive characteristics is offered. Results of experimental researches confirming attractive properties the electric drive without reducer are resulted.
Keywords: reductorfree electric drive, method of characterization of parameters of equivalent circuit.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
Ю.В. Мерзляков, канд. техн. наук, доц., (3519) 29-84-30, RadionovAA@rambler.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), Г.Г. Толмачев, канд. техн. наук, доц., (3519) 29-84-30, RadionovAA@rambler.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ),
A.С. Карандаев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, декан, (3519) 29-84-30, askaran@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ),
B.В. Галкин, нач. научно-технического центра, (3519) 29-84-30, RadionovAA@rambler.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»),
В.В. Головин, канд. техн. наук, нач. центральной электротехнической лаборатории, (3519) 29-84-30, cetl_golovin@mmk.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»),
А.И. Хлыстов, зам. гл. энергетика по электрооборудованию и автоматизации, (3519) 29-84-30, RadionovAA@rambler.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»)
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ КОММУТАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ
Представлены результаты исследований по выявлению причин неудовлетворительной коммутации двигателей главных электроприводов стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК». Выполнен анализ причин искрения на коллекторе, вызванного механическими и электромагнитными факторами. Представлены результаты исследования высших гармоник в кривой первичного напряжения преобразовательных трансформаторов. По результатам исследований предложены мероприятия по улучшению условий коммутации. Рекомендованы увеличение индуктивности сглаживающих реакторов и установка фильтро-компенсирующих устройств на шинах 10 кВ.
Ключевые слова: улучшение условий коммутации двигателей главных электроприводов стана, анализ причин искрения, сглаживающие реакторы и фильтро-компенсирующие устройства.
Проблемы улучшения условий коммутации двигателей тиристор-ных электроприводов прокатных станов являются традиционно актуальными для технического персонала металлургического предприятия. Присутствие коллектора, сложность и низкая надежность щеточного механизма явились главными причинами повсеместного перехода от электроприводов постоянного тока на регулируемые электроприводы перемен-
