CC BY
82
УДК 629.9:502.14:62-83
М.А. Русаковский, канд. техн. наук, управляющий директор,
(495) 974-04-48, [email protected]
(Россия, Москва, ООО «Русэлпром - Мехатроника»),
А.Л. Колосов, зам. директора по развитию, (495) 974-04-48,
[email protected] (Россия, Москва, ООО «Русэлпром - Мехатроника»),
А.В. Захаров, канд. техн. наук, ведущий специалист
расчетно-теоретического сектора, (4922) 43-09-53, [email protected]
(Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»),
А.С. Кобелев, канд. техн. наук, нач. расчетно-теоретического сектора,
(4922) 43-09-53, [email protected]
(Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»),
О.В. Кругликов, управляющий директор, (4922) 43-09-53,
[email protected] (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»)
АСИНХРОННЫЕ НИЗКОВОЛЬТНЫЕ
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ СЕРИЙ АДЧР, ВА, 7АУЕ В ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
Представлены основные результаты разработки и внедрения асинхронных частотно-регулируемых электродвигателей производства концерна «РУСЭЛПРОМ.».
Ключевые слова: асинхронные двигатели, частотно-регулируемый электропривод, частотные преобразователи.
Асинхронные электродвигатели (АД) с короткозамкнутым ротором занимают доминирующее положение, как на рынке нерегулируемых общепромышленных электродвигателей, так и на рынке регулируемого электропривода. Следует отметить, что рынок низковольтных электродвигателей средней и малой мощности характеризуется жесткой конкуренцией, что является одной из причин их ускоренного совершенствования. Сказанное относится не только к рынку электродвигателей, предназначенных для нерегулируемого электропривода, но и к рынку частотно-регулируемых машин. Предприятия концерна «РУСЭЛПРОМ» одними из первых в России включились в новый сегмент рынка. Совместная работа предприятий «Русэлпром-Мехатроника» (прежнее название ООО «ВЭМЗ-Спектр») и ОАО «НИПТИЭМ» на производственной площадке ОАО «ВЭМЗ» позволила концерну создать широкую номенклатуру низковольтных асинхронных электродвигателей для частотно-регулируемых приводов.
В настоящее время асинхронные частотно-регулируемые электродвигатели с короткозамкнутым ротором включают следующие конструк-
тивные модификации (классификация по наличию пристраиваемых модулей [1]):
исполнение «О» - асинхронные короткозамкнутые двигатели без пристраиваемых конструктивных модулей. Электродвигатели данного исполнения имеют штатные центробежные вентиляторы на валу, поэтому работают в ограниченном «снизу» диапазоне частот вращения;
исполнение «ОТ» - исполнение «О» с пристроенным модулем электромагнитного пружинного тормоза;
исполнение «В» - асинхронные короткозамкнутые двигатели, с пристроенными модулями независимой вентиляции. Электродвигатели данного типа могут работать в широком диапазоне частот вращения, как при регулировании вниз, так и при регулировании вверх от номинальной частоты вращения.
исполнение «ВТ» - исполнение «В» с пристроенным модулем электромагнитного пружинного тормоза;
исполнение «ВД» - исполнение «В» с пристроенным модулем датчика обратной связи. Электродвигатели данного типа предназначены для построения на их основе глубоко регулируемых приводов;
исполнение «ВТД» - исполнение «В» с пристроенными модулями электромагнитного пружинного тормоза и датчика обратной связи.
Классификация по степени унификации частотно-регулируемых двигателей с общепромышленным исполнением, введенная для рационального использования активной части машин [2]:
модификация «а» - частотно-регулируемые электродвигатели, изготовленные с применением активных частей общепромышленных АД. Преимуществом этого варианта является возможность безопасного использования электродвигателя при питании от общепромышленной сети 220/380В 50Гц. Недостатками являются: завышенные значения тока статора при питании от преобразователя частоты в сравнении со значениями токов, получаемых при питании от промышленной сети; недостаточная протяженность второй зоны регулирования - максимальная частота питания меньше 100Гц, пониженная величина кратности максимального момента, отсутствие сервис-фактора;
модификация «Ь» - частотно-регулируемые электродвигатели, изготовленные с применением сердечников статора и ротора общепромышленных АД, но с оптимизированными обмоточными данными. Преимуществами этого варианта являются: более высокие, чем в варианте «а», энергетические характеристики при работе от частотного преобразователя, прежде всего КПД и кратность максимального момента. Протяженность второй зоны увеличена до 100 Гц;
модификация «с» - частотно-регулируемые электродвигатели, изготовленные со специально разработанной активной частью ротора, оптими-
зированной для использования в частотно-регулируемом электроприводе. Преимущества этого варианта: высокие энергетические характеристики; сниженные значения рабочего тока в сравнении с предыдущими вариантами; наличие сервис-фактора не ниже 1.15; уменьшенная масса электродвигателя;
модификация «Ж» - логическое развитие модификации «с»: двигатели имеют полностью оригинальные активные части статора и ротора, оптимизированные для использования в частотно-регулируемом электроприводе. Очевидно, вариант «Ж» имеет наилучшие технические показатели и представляет Заказчику наиболее широкий спектр выбора в диапазонах «цена-качество».
Постоянное совершенствование общепромышленных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором накладывает отпечаток и на производство частотно-регулируемых электродвигателей. Этот факт определил постепенный переход частотно-регулируемых электродвигателей, изготавливаемых на базе серий АИР, АИРМ, 5А, 5АМ, к электродвигателям серии 7ЛУБ, имеющим улучшенную геометрию активной части, а также модификации по энергосбережению 1Е1, 1Е2 [3].
Существующие прогнозы величины отношения выпуска частотно-регулируемых электродвигателей к общепромышленным нерегулируемым двигателям предполагают в обозримом будущем соотношение 50/50 %. В настоящее время указанное соотношение далеко от прогнозируемого, например, объем регулируемых электродвигателей серии АДЧР не превышает 3 % от объема общепромышленных электродвигателей производства ВЭМЗ. Однако рост относительных объемов продаж регулируемых электродвигателей позволяет судить о значительных перспективах их рынка (таблица).
Соотношения количества проданных частотно-регулируемых и общепромышленных электродвигателей группы компаний ВЭМЗ
Годы Кол-во АДЧР, шт. Кол-во АЭД ВЭМЗ, шт.
2007 2428 181618
2008 2802 134814
2009 1501 51013
Основные потребители низковольтных регулируемых электродвигателей по отраслям промышленности:
- машиностроение и металлообработка: замена привода постоянного тока на асинхронный частотно-регулируемый привод при модернизации станков, а также комплектование новых станков;
- крановый электропривод: замена асинхронных двигателей с фазным ротором на частотно-регулируемые электродвигатели при модерниза-
ции кранового и подъемного оборудования; комплектация новых кранов и приводов подъемников.
- металлургия: рольганги и вспомогательные металлургические механизмы;
- механизмы производства и переработки полимеров: экструзион-ные установки;
- производство пищевой продукции: приводы куттеров, мешалок;
- оборудование для проведения испытаний;
- ЖКХ, энергетика: приводы насосов вентиляторов;
- нефтедобыча и переработка.
С точки зрения перспективности перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому все электроприводы можно разделить на четыре группы:
первая группа - нерегулируемые электроприводы, в принципе не требующие регулирования частоты вращения;
вторая группа - нерегулируемые электроприводы, не требующие регулирования частоты вращения, но требующие обеспечения частотного запуска с последующим переключением на сеть переменного тока;
третья группа - электроприводы, в которых можно обойтись без регулирования частоты вращения, однако применение регулирования приведет к значительному экономическому результату;
четвертая группа - регулируемые электроприводы.
По потребляемой электроэнергии четвертая группа, по экспертным оценкам, составляет менее 1,0 %, третья группа до 10...20 % вторая группа 30...40 %. Представляется, что при современном состоянии внедрения частотно-регулируемого электропривода, он активно осваивает четвертую группу; началось также внедрение третьей и второй группы приведенной классификации.
Внедрение регулируемого электропривода в отраслях промышленности сопряжено с рядом задач: это и правильный выбор компонентов электропривода, включая рациональную модификацию электродвигателя; и наличие современной технологии производства; и управление параметрами питания электродвигателя (обеспечение эффективного закона регулирования) в соответствии циклограммами процесса, реализуемого приводимым механизмом.
Рассмотрим некоторые научно-технические проблемы подробнее.
Одной из ключевых задач, возникающих при выборе типа электродвигателя для частотно-регулируемого привода, является проблема обеспечения номинального потока электродвигателя, соответствующего нагрузке и частоте вращения. Суть указанной проблемы заключается в следующем: как правило, электродвигатели, применяемые в частотном электроприводе, построены с использованием активной части общепро-
мышленных электродвигателей (модификация «а»), это позволяет переключать их на сеть в случае продолжительной работы на номинальной частоте вращения или при выходе из строя преобразователя частоты. Поэтому, номинальный поток этих электродвигателей соответствует напряжению и частоте 380 В, 50Гц и номинальной нагрузке, любое изменение параметров питания или нагрузки приводит к изменению потока электродвигателя, и всегда увеличивает значение тока статора.
При применении преобразователя частоты на базе инвертора напряжения с двухуровневой ШИМ для регулирования частоты вращения низковольтных асинхронных электродвигателей требуется установка на выходе преобразователей частоты фильтров для уменьшения перенапряжений и улучшения формы напряжения на обмотках АД, что снижает максимальное выходное напряжение, которое при напряжении питания ПЧ, равном 400 В, обычно не превышает 360 В.
Современные частотные преобразователи не позволяют обеспечить действующее напряжение питания нагруженного электродвигателя более 360 В, поэтому для обеспечения оптимального режима электродвигателя необходимо либо уменьшение номинальной частоты вращения (так поступает большинство фирм, например АВВ, Baldor), либо изготовление электрических машин с заниженным номинальным напряжением питания, что не позволяет применять такие машины при питании от сети. Нами применяются оба подхода для решения указанной технической проблемы, кроме того, разработан третий подход к решению указанной проблемы, применение которого планируется и возможно только на электродвигателях серии 7ЛУЕ с классом энергоэффективности не ниже 1Е2.
Увеличение перегрева обмотки статора &еы электродвигателя при его питании от частотного преобразователя объясняется тремя причинами: увеличением тока, связанного со снижением потока; присутствием модуляционной составляющей тока, обусловленной ШИМ; снижением интенсивности вентиляции, ввиду уменьшения частоты вращения лопаток вентилятора самовентилируемых машин. Нами разработан оригинальный подход, позволяющий достоверно определять величину &еи от указанных явлений и, в зависимости от нее, рационально использовать объем активных материалов двигателя для получения механической мощности [4]. Указанный подход используется при повседневном проектировании специальных частотно-регулируемых асинхронных двигателей.
Интересной проблемой, возникающей при использовании частотно-регулируемых электродвигателей, является появление крутильных колебаний роторов электродвигателей высота оси вращения 250.315 мм на пониженных частотах вращения 10.20 Гц, объясняемое превышением величины электромагнитной постоянной времени над механической постоянной времени. Нами проведен комплекс работ по исследованию
указанной проблемы, определены ее масштабы, способы решения [5]. К сожалению, решение данной проблемы находится не в области модификации электродвигателей, а связано с механикой (увеличение величины инерций приводных механизмов), и управлением. Вот аспекты решения задачи: изменение потока машины на пониженных частотах питания; пропуски нежелательных частот питания; введение дополнительных контуров управления напряжением питания; применение векторного управления. Нами определены резонансные частоты, температуры ротора и величины инерции приводных механизмов, ниже которых возникают колебания, для всей номенклатуры выпускаемых концерном низковольтных АД.
Часть проблем научно-технического характера, ограничивавших возможности внедрения электродвигателей в современном электроприводе, снята благодаря современным научным методам исследования и проектирования электрических машин [4, 6, 7], реализованных специалистами ОАО «НИПТИЭМ».
Перспективными направлениями внедрения разработок и производства частотно-регулируемого электропривода концерном «Русэлпром», по мнению авторов является дальнейшая адаптация готовящихся к производству типоразмеров энергоэффективной серии 7ЛУЕ к условиям частотно-регулируемого электропривода, которая обеспечивается за счет следующего:
- увеличение короностойкости обмотки, что повышает надежность эксплуатации электродвигателя при питании от инвертора;
- применение благоприятного соотношения пазов ротора и статора, что исключает синхронные и асинхронные провалы момента, играющие критическую роль на низких частотах вращения 0.. .10 Гц, а также при работе в генераторных режимах;
- снижение величины коммутационной составляющей токов (увеличивающей величину превышения температуры обмотки статора) за счет увеличения индуктивности рассеяния на 20.40 % в сравнении с серией 5 А (АИР) и на 15.20 % в сравнении с серией 4А. Это позволяет избежать необходимости применять дополнительные фильтры;
- увеличение сервис-фактора электродвигателя, что позволит работать с постоянством момента в широком интервале первой зоны механической характеристики без применения системы независимой вентиляции, при превышении температуры обмотки статора по классу Б.
Дальнейшее исследование и внедрение частотно-регулируемых АД позволит ускорить реализацию соотношения между нерегулируемым и регулируемым приводом 60/40 %, модернизировать отечественную промышленность, обеспечить эффективное энергопотребление и улучшить экологическую обстановку России.
Список литературы
1. Разработка специальных конструктивных исполнений частотно регулируемых асинхронных электродвигателей / А.В.Вершинин [и др.] // Электротехника, 2008 №11. С. 46-49.
2. Новая серия частотно-регулируемых асинхронных двигателей общего применения разработки ОАО «НИПТИЭМ»/ А.М. Зайцев [и др.] // Электротехника, 2008. №9. С. 2-10.
3. Кобелев А.С., Макаров Л.Н, Русаковский А.М. Концепция разработки электромагнитного ядра асинхронных электродвигателей энергоэффективных серий // Электротехника, 2008 №11. С. 11-24.
4. Захаров А.В., Кобелев А.С. Кудряшов С.В. Определение превышений температур и допустимых нагрузок закрытых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, эксплуатируемых в широком диапазоне частоты вращения // Электротехника, 2010 (в печати).
5. Малафеев С.И. Захаров А.В. Компьютерное моделирование колебаний момента и скорости в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материалы VII Всероссийской научной конференции. Чебоксары, 2007. С. 318-320.
6. Захаров А.В, Кобелев А.С. Развитие программного обеспечения для моделирования режимов работы асинхронных электродвигателей в интеллектуальной системе автоматизированного проектирования // Электричество, 2007. №5. С. 46-53.
7. Захаров А.В, Кобелев А.С., Кудряшов С.В. Программные комплексы имитационного моделирования и расчета электродвигателей для электропривода переменного тока // Труды Международной конференции «Электропривод переменного тока». Екатеринбург, 2007. С. 179-182.
M. Rusakovskij, A. Kolosov, A. Zaxarov, A. Kobelev, O. Kruglikov
The asynchronous low-voltage frequency-regulated electric drive of series ADChR VA, 7ave in the frequency-regulated electric drive
The basic results of development and application of induction frequency-controlled motors manufacturing of «RUSELPROM» concern is presented. Amount of motors application in the industry are resulted, the basic problems are shown, and prospects are designated.
Keywords: asynchronous engines, frequency-regulated electric drive, frequency converters.
Получено 06.07.10
