CC BY
40
УДК 621.313.333.2
В.С. Петрушин, Р.Н. Еноктаев
ПРОЕКТНЫЕ ДИАПАЗОННЫЕ КРИТЕРИИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Виконано автоматизоване оптимізаційне проектування регульованих асинхронних двигунів для різних проектних задач при двох діапазонних критеріях. Проектні задачі припускають розгляд як статичних, так і динамічних режимів. Визначено зміну варійованих параметрів двигунів залежно від обраного критерію та проектної задачі.
Выполнено автоматизированное оптимизационное проектирование регулированных асинхронных двигателей для различных проектных задач при двух диапазонных критериях. Проектные задачи предполагают рассмотрение как статических, так и динамических режимов. Определено изменение варьируемых параметров двигателей в зависимости от выбранного критерия и проектной задачи.
ВВЕДЕНИЕ
Поскольку использование серийных асинхронных двигателей (АД) в частотных электроприводах (ЭП) не оптимально по массогабаритным, стоимостным, энергетическим показателям для конкретного электропривода может выполняться проектирование специальных регулируемых асинхронных двигателей (РАД) с учетом их работы на соответствующие по величине и характеру нагрузки, а также определенного режима работы [1-3]. РАД проектируются не на одну номинальную точку работы, как проектируются АД общепромышленного назначения, а на работу в заданном диапазоне регулирования и при их разработке существенно возрастает объем расчетов [4].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В общем случае при проектировании РАД в качестве проектных критериев могут использоваться масса, габариты, стоимость двигателя, среднедиапазонные приведенные затраты на изготовление и эксплуатацию (ПЗ), среднедиапазонные энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности), либо может быть применен обобщенный критерий, учитывающий в качестве составляющих вышеперечисленные критерии. Можно также использовать аналогичные проектные критерии, определяемые для всего регулируемого ЭП. Результаты проектирования изменяются при различных используемых критериях или при различных их составляющих в обобщенном критерии, а также зависят от задаваемых коэффициентов значимости этих составляющих. При расчете критериев могут приниматься во внимание их значения в переходных режимах работы. Такой подход позволяет осуществлять проектирование как для режимов работы, в которых продолжительности переходных режимов значительно меньше продолжительностей работы в установившихся режимах, так и для режимов при соизмеримости вышеуказанных продолжительностей. Таким образом, можно определить несколько проектных задач, характеризуемых как диапазоном работы на определенную нагрузку, так и продолжительностью работы на заданных тахограммами частотах вращения.
Если в качестве критерия проектирования использовать такой энергетический показатель, как среднедиапазонный КПД двигателя, будет обеспечиваться проектирование энергосберегающего РАД.
Среднедиапазонные энергетические проектные критерии [5] должны отражать энергетику РАД во всем диапазоне регулирования от п1 до п2 и определяются как эквивалентные усредненные для этого диапазона. То же касается и обобщенного критерия приведенных затрат двигателя, который учитывает стоимость изготовления и затраты на эксплуатацию. В связи с тем, что затраты зависят от КПД и коэффициента мощности, обобщенный критерий приведенных затрат имеет различные значения в разных точках диапазона и целесообразно определять диапазонное значение этого критерия, т. е. эквивалентное усредненное для всего диапазона.
Если диапазонные энергетические показатели рассчитываются как усредненные для всего диапазона
ЛсдАД
1
n2
jn АД (n)
dn,
(1)
n2
cos Ф1сдАД = —1— J cos Ф1ДД (n) • dn> (2)
n2 ni n
то диапазонный критерий ежегодных приведенных затрат двигателя может быть определен исходя из следующего. При известной полной стоимости двигателя ced значение критерия определяется как
ПЗАД = (ced + Си) - [1 + Тн (ка + к0)] + СаАд , (3)
где Си - стоимость затрат на компенсацию реактивной мощности, грн; Са - стоимость потерь электроэнергии за год, грн; Тн - нормативный срок окупаемости двигателя, лет; ka - доля затрат на амортизационные отчисления; к0 - доля затрат на обслуживание при эксплуатации двигателя.
Для регулируемых асинхронных двигателей значения Тн = 5 лет, ка = 0,065, к0 = 0,069 принимаются теми же, что и для общепромышленных АД [2]. Тогда
ПЗАД = 1,67(ced + Си ) + СаАД, (4)
Си = Ссгетт - 0,484), (5)
СаАД = СсаеР1АД (1,04 - hАД ), (6)
где Ссае - коэффициент, учитывающий стоимость потерь активной энергии, представляющий собой произведение стоимости 1 кВт-ч электроэнергии в течении срока службы двигателя (0,2 грн. за кВт-ч), числа часов работы двигателя в течении года (2100), числа
© В.С. Петрушин, Р.Н. Еноктаев
лет работы до капитального ремонта (5) и коэффициента относительной загрузки двигателя (0,8), Ссге -коэффициент, учитывающий стоимость компенсации реактивной энергии и представляющий собой произведение стоимости 1 кВАр реактивной мощности компенсирующих устройств (10 грн. за 1 кВАр), коэффициента участия двигателя в максимуме нагрузки системы (0,25).
ПЗ,
1
сдАД
2
j ПЗад («) dn. (7)
Следует отметить, что при работе РАД в составе современных частотно-регулируемых электроприводов из-за близости коэффициента мощности привода к 1 из выражения критерия ПЗ электропривода может быть исключена составляющая, соответствующая стоимости компенсации реактивной энергии
ПЗЭП = ceP[1 + Тн (ka + ko )] + СаЭП, (8)
где cep - полная стоимость электропривода
СаЭП = CcaeP1ЭП (1,04 - hЭП ), (9)
Значения коэффициентов и стоимостей, а так же часов и лет используются такие же, что и для определения ПЗАд
ПЗ,
1
n2
сдЭП
«2 - «1
j ПЗэп («) -dn, (10)
n1
Если известны временные диаграммы эксплуатации нагрузок, т.е. время работы на каждой частоте вращения, определяемое технологическими требованиями к приводным механизмам, то оценку данных диапазонных энергетических критериев двигателя и привода необходимо производить с учетом длительности работы двигателя в каждой точке диапазона регулирования
X (Л(пг) • П)
Лсд =
Х« ’
i
X (COS Фісд («і ) - t«i)
COS Ф1сд =‘
X t«
(11)
(12)
где П - время работы двигателя при частоте вращения П, і - порядковый номер участка тахограммы.
Соответственно рассчитываются среднедиапазонные приведенные затраты
X (ПЗ (п) • О
—. (13)
ПЗсд =
X t«
ЭП, а не модели только двигателя, как это делается при проектировании общепромышленных АД [9]. Стандартные методы и программное обеспечение автоматизированного проектирования, разработанные для машин общепромышленного назначения, не могут быть применены для решения задач проектирования и оптимизации регулируемых двигателей. На кафедре электрических машин Одесского национального политехнического университета разработан программный продукт DIMASDrive [6], позволяющий осуществить проектирование РАД.
При разработке РАД целесообразно в качестве критериев использовать среднедиапазонный критерий КПД двигателя и среднедиапазонный критерий ПЗ электропривода.
Рассматривается работа серийного асинхронного двигателя 4A160S4. Используется схема соединения обмотки статора "звездой". Рассматривается работа двигателя в РЭП с частотным преобразователем (Alti-var 58, 1500 y.e., 15 кг, ^пр = 0,94) при законе частотного управления U/f = const. В качестве нагрузки используется "лифтовая" нагрузка величиной 75 Н-м. Настройки преобразователя позволяют обеспечить выполнение каждой из трех рассматриваемых проектных задач. В качестве варьируемых параметров выбраны длина пакета статора двигателя (L) и частота, на которую проектируется обмотка статора (ОС) двигателя. Изменение частоты (f) предполагает автоматическое изменение числа витков ОС (№^), сечения эффективного проводника ОС (дэф), диаметра обмоточного провода (dnp).
Первая проектная задача предполагает оптимизационное проектирование РАД для определенного диапазона регулирования. В рассматриваемом случае выбран диапазон 300 - 1900 об/мин. Диапазоны изменения варьируемых параметров от 0,8 до 1,2 базовых значений.
В табл. 1 приведены значения проектных критериев и конструктивных изменений при использовании двух выбранных критериев проектирования.
Таблица 1
Проектные критерии и конструктивные изменения
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ При проектировании РАД в соответствии с принципами системного подхода необходимо совместное рассмотрение преобразователей, двигателей и нагрузок [7, 8]. Поэтому основной особенностью при проектировании РАД является необходимость использования в системе расчетного проектирования комплексной математической модели всей системы
Двига- тели Показатели^, и параметры Серийный Оптимизированный по критерию п Оптимизированный по критерию пЗэп
Псд АД, % 83,43 85,54 85
ПЗсд АД, тыс. у.е. 2,143 2,114 2,101
Масса АД, кг 120 132 127
Стоимость АД, у.е. 651 710 683
Масса РЭП, кг 135 147 142
Стоим. РЭП, тыс. у.е. 2,151 2,210 2,183
ПЗсд РЭП, тыс. у.е. 4,709 4,678 4,664
Псд рэп, % 81,8 83,86 83,34
Ь, мм 130 155 145
Г Гц 50 58,54 55,47
112 96 101
2м Sq 2,45 2,87 2,72
dnp5 мм 1,33 1,43 1,38
nn
2
Вторая проектная задача предполагает оптимизационное проектирование РАД для работы на заданную тахограмму (100 с. - 300 об/мин, 100 с. - 1900 об/мин) и решается без учета переходных процессов (рис. 1).
Рис. 1. Характеристики частоты вращения п (пунктирная линия) и КПД (сплошная линия) базового двигателя при второй проектной задаче
В табл. 2 приведены значения проектных критериев и конструктивных изменений при использовании двух выбранных критериев проектирования.
Таблица 2
Проектные критерии и конструктивные изменения
Двига- тели Показатели4^, и параметры Серийный Оптимизированный по критерию п Оптимизированный по критерию ПЗЭП
Пса АД, % 75,13 80,5 80,15
ПЗсд АД, тыс. у.е. 2,603 2,349 2,304
Масса АД, кг 120 129 121
Стоимость АД, у.е. 651 696 654
Масса РЭП, кг 135 144 136
Стоим. РЭП, тыс. у.е. 2,151 2,196 2,154
ПЗсд РЭП, тыс. у.е. 5,169 4,915 4,864
Псд рэп, % 73,66 78,92 78,58
Ь, мм 130 150 134
Г, Гц 50 59,62 59,94
112 94 93
2 Чэф, мм 2,45 2,92 2,94
с1пр, мм 1,33 1,43 1,43
Третья проектная задача предполагает оптимизационное проектирование РАД для работы на заданную тахограмму (1 с. - 300 об/мин, 1 с. - 300 об/мин,
2 с. - 1900 об/мин, 2 с. - 300 об/мин) и решается с учетом переходных процессов (рис. 2).Первая секунда с отображением пуска на рис. 2 не представлена и в расчете энергетических показателей не учитывалась.
В табл. 3 приведены значения проектных критериев и конструктивных изменений при использовании двух выбранных критериев проектирования.
ВЫВОДЫ
1. Результаты оптимизационного проектирования (значения конструктивных изменений) различны в зависимости от выбранного проектного критерия.
2. Экстремумы проектных критериев в зависимости от варьируемых параметров не совпадают.
3. Аналогичным образом можно осуществить оптимизационное проектирование при других критериях и проектных задачах, а также разнообразных варьируемых параметрах.
Таблица 3
Проектные критерии и конструктивные изменения
Двига- тели Показатели и параметры Серийный Оптимизированный по критерию п Оптимизированный по критерию ПЗЭП
Пса АД, % 76,65 80,4 77,78
ПЗсд АД, тыс. у.е. 1,173 1,090 1,088
Масса АД, кг 120 121 130
Стоимость АД, у.е. 651 652 702
Масса РЭП, кг 135 136 145
Стоим. РЭП, тыс. у.е. 2,151 2,152 2,202
ПЗсд РЭП, тыс. у.е. 3,678 3,594 3,593
Псд рэп, % 75,15 78,62 76,5
Ь, мм 130 133 153
Г Гц 50 59,94 59,51
112 93 94
2,45 2,94 2,92
^пр, мм 1,33 1,43 1,43
об/мин 2100 П: о.е. _ 0.9
1800 0.8 0.7
1500 " 0.6
1200 - 0.5
900 _ 0.4
600 0.3 0.2
300 " 0.1 0
N
/ \
/■'
1 1 \
! і і \
і і V \
і і
і ! \
\
1 2 3 4 5 6
Рис. 2. Характеристики частоты вращения п (пунктирная линия) и КПД (сплошная линия) базового двигателя при третьей проектной задаче
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Проектирование модификаций асинхронных короткозамкнутых двигателей для систем полупроводникового электропривода // Проблемы автоматизированного привода. Вестник Харь-ковск. гос. политехн. ун-та. - 1999. - Вып. 61. - С. 196-197.
2. Петрушин В. С. Приведенные затраты асинхронных двигателей в частотном электроприводе при различных законах управления // Електромашинобудування та електрообладнання: Респ. міжвід. наук.-техн. зб. - 2001. - Вип. 56. - С. 51-54.
3. Петрушин В.С. Асинхронные двигатели в регулируемом электроприводе: Учебное пособие. - Одесса: Наука и техника, 2006. - 303 с.
4. Петрушин В. С. Оптимизация обмоточных данных частотно-регулируемых асинхронных двигателей // Вісник НТУ "ХПТ. - 2002. - Вип. 12. - Том 1. - С. 242-245.
5. Петрушин В.С. Диапазонные критерии оптимальности при проектировании регулируемых асинхронных двигателей // Труды Одесск. политехн. ун-та. - 2001. - Вып.1(13). -
С. 81-86.
6. Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Программный продукт "DIMASDrive". Программа анализа работы, выбора и проектирования асинхронных короткозамкнутых двигателей систем регулируемого электропривода (свидетельство о регистрации программы ПА№4065). - К.: Государственный департамент интеллектуальной собственности, 26.03.2001.
7. Schroder P. Elektrische Antriebe. Regelung von Antrieb-ssystemen. Berlin: Springer, 2001, 1172 p.
8. Park T.S., Kim S.H, Yoo J.Y. Speed-sensorless vector control of an induction motor using recursive least square algorithm // Trans. KIEE. - 1999. - vol. 48B. - №3. - pp. 139-143.
9. GOST IEC/TS 60034-25 Ed. 1.0 Rotating electrical machines Part 25: Guide for the design and performance of cage induction motors specifically designed for converter supply.
REFERENCES: 1. Petrushin V.S., Rjabinin S.V., Jakimec A.M. Design modifications asynchronous cage motors for electric semiconductor systems. Vestnik Khar'kovskii gosudarstvennyi politekhnicheskii univer-siteta - Bulletin of Kharkov State Polytechnic University, 1999, no.61, pp. 196-197. 2. Petrushin V.S. These costs asynchronous motors in the drive frequency for different control laws. Elektpomashinobuduvannja ta elektroobladnanja: Resp. mіzhvіd. naukovo-tekhmchnii zbwnik — Electrical machine-building and electrical equipment: Republican interdepartmental scientific-technical collection, 2001, no.56, pp. 51-54. 3. Petrushin V.S. Asinhronnye dvigateli v reguliruemom elektroprivode: Uchebnoe posobie [Induction motors in adjustable electric: Textbook]. Odessa, Nauka i tehnika Publ., 2006. 320 p. 4. Petrushin V.S. Optimization of winding data of variable frequency induction motors. Visnyk NTU "KhPV - Bulletin of NTU "КШ", 2002, no.12, pp. 196-197. 5. Petrushin V.S. Range of optimality criteria for the design of controlled asynchronous motors. Trudy Odesskogopolitekhnicheskogo universiteta — Proceedings of Odessa Polytechnic University, 2001, no.1(13), pp. 81-86.
б. Petrushin V.S., Rjabinin S.V., Jakimec A.M. Programmnyj produkt "DIMASDrive". Programma analiza raboty, vybora i proektirovanija asinhronnyh korotkozamknutyh dvigatelej sistem reguliruemogo jelek-troprivoda [Program performance analysis, selection and design of asynchronous cage motors controlled drive systems]. Patent UA, no.4G65. 7. Schroder P. Ekektrische Antribe. Regelung von
Antriebssystemen [Electric Actuators. Control of Drive Systems]. Berlin, Springer Publ., 2GG1, 1172 p. 8. Park T.S., Kim S.H, Yoo J.Y. Speed-sensorless vector control of an induction motor using recursive least square algorithm. Trans. KIEE, 1999, vol.48B, no.3, pp. 139-143. 9. GOST IEC/TS 6GG34-25 Ed. 1.G Rotating electrical machines Part 25: Guide for the design and performance of cage induction motors specifically designed for converter supply.
Поступила (received) 06.07.2014
Петрушин Виктор Сергеевич1, д.т.н., проф.,
Еноктаев Ростислав Николаевич1, магистрант,
1 Одесский национальный политехнический университет, 65G44, Одесса, пр. Шевченко, 1, тел/phone +38G G48 7G58494,
e-mail: victor_petrushin@ukr.net, rostik-enok@inbox.ru
V.S. Petrushin1, R.N. Jenoktajev1 1 Оdessa National Polytechnic University 1, Shevchenko Avenue, Odessa, 65G44, Ukraine Design range criteria in designing of controlled asynchronous motors.
The paper presents automated optimization designing of regulated induction motors accomplished for a variety of design problems under two range criteria. Design tasks involve consideration of both static and dynamic modes. Dependence of change in the motors variable parameters on the criterion chosen and the designing objectives is determined.
Key words - controlled induction motor, design range criteria, automated optimization designing.
