CC BY
2УДК 621.313.333
А.А. Марченко, С.В. Столетов
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: marchenko_alx@inbox.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
В основе динамического нагружения электродвигателей может быть любой динамический режим, при котором электродвигатель работает в номинальном режиме без механической нагрузки. В рамках исследования использовался генераторный режим электродвигателя с возможностью получения номинального тока и момента электрической машины. Для этого была разработана математическая модель электродвигателя. Далее на ее основе была составлена имитационная модель в среде Matlab Simulink и проведены компьютерные эксперименты с определением параметров динамического нагружения.
Ключевые слова: электрический ток, механическая мощность, момент, механическая характеристики, частота сети.
A.A. Marchenko, S.V. Stoletov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: marchenko_alx@inbox.ru
ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR AT GENERATIVE BRAKING
The dynamic loading of the motors can be based on any dynamic mode in which the motor operates in a nominal mode without mechanical load. As part of the study, the generator mode of the electric motor was used with the possibility of obtaining a nominal current and a moment of the electric machine. For this, a mathematical model of an electric motor was developed. Further, a simulation model in the Matlab Simulink environment was compiled on the basis of it and computer experiments were conducted to determine the parameters of dynamic loading.
^y words: electric current, mechanical power, torque, mechanical characteristics, mains frequency.
На сегодняшний день асинхронный электродвигатель является самой распространенной электрической машиной в составе судового электропривода. Более 80% таких машин уже подвергались ремонту на судоремонтных предприятиях Камчатского края. В данных условиях отремонтированные машины имеют срок службы гораздо меньше, чем новые. Сегодня существует проблема с повторным выходом из строя электродвигателей переменного тока. Это связано с некачественной проверкой электрических машин после ремонта.
Основной проблемой является некачественная проверка электродвигателей, подвергавшихся ремонту. Проверка электродвигателя в номинальном режиме является затруднительной, так как может обеспечиваться только при включении в регламент проверки электродвигателей под нагрузкой. Для этого применяется механическая нагрузка в виде генератора постоянного тока с подключенным в цепь переменным резистором или электромеханический тормоз. Тормоз не применяется, так как времени торможения недостаточно для получения диагностических данных. Применение генератора затруднено, так как предполагает механическое соединение электрических машин, которые отличаются габаритами, мощностью и другими характеристиками. Данная специфика обязывает применять достаточно большой диапазон электрических машин в качестве нагрузочных элементов. Также частое соединение электрических машин и центровка их валов значительно усложняют процесс диагностики.
Существуют автоматизированные стенды для проведения испытаний электрических двигателей. Такие устройства являются многофункциональными, они включают в себя элементы компьютерной диагностики. Наряду с преимуществами такие системы обладают и недостатками. Высокая стоимость и сложность в настройке, эксплуатации и ремонте сделали их невостребованными на судоремонтных предприятиях Дальнего Востока.
Сегодня существует проблема в точном техническом диагностировании. Решением может быть система, основанная на динамическом нагружении.
При данном типе нагружения не используется механическая нагрузка, применяется только электрическое соединение электрических машин.
Более шестидесяти процентов неисправностей электродвигателей переменного тока связаны с неполадками в статорной обмотке, остальные приходятся на подшипниковый узел, менее пяти процентов связаны с неисправностями ротора.
В основе динамического нагружения электродвигателей может быть любой динамический режим, при котором электродвигатель работает в номинальном режиме без механической нагрузки. В рамках исследования использовался генераторный режим электродвигателя с возможностью получения номинального тока и момента электрической машины. Для этого была разработана математическая модель электродвигателя. Далее на ее основе была составлена имитационная модель в среде МаАаЬ 81шиПпк и проведены компьютерные эксперименты с определением параметров динамического нагружения.
Моделирование асинхронных электродвигателей подразумевает использование уравнения Парка - Горева. Для построения модели динамического нагружения эти уравнения не совсем подходят, так как они являются обобщенными и не учитывают некоторые важные процессы. Например, не учитываются потери в стали и вытеснение тока в стержнях ротора. Все эти процессы имеют место в реальной системе, поэтому полученные параметры при испытаниях модели на основе таких уравнений будут значительно отличаться от параметров электродвигателя, прописанных в паспортных данных машины [1].
В рамках первого этапа исследования в среде 8тиПпк/Ма11аЬ была разработана математическая модель асинхронного двигателя. Оцениваем эффекты насыщения магнитной системы основным магнитным потоком, вытеснение тока в стержнях ротора, значение потерь в стали. Далее уточняем параметры схемы замещения. Затем в математическую модель электродвигателя, уже имеющую все неизвестные ранее номинальные параметры, вводим нелинейные зависимости Ьт(¥) и Я2(Ю2) и учитываем потери в стали.
Как общепринято, уравнения АД с короткозамкнутым ротором представляем через обобщенные векторы - в системе координат, вращающейся с произвольной угловой скоростью юь
" в " й ^ ш
П\ = • 71 л---V ] • Щ • ¥1;
йт
0 = Л2 • 7 2 + + ] • (Щ - ю) • ¥2; й т
М = Р • Цт -[Г •
^=м - М.. йт
(1)
¥\ = Ц • 7\ + Ц • 72; 7\ = (¿2 • ¥\-Ц • ¥2/(Ц • Ь2 - Пт); ¥2 = Цт • -\ + ¿2 • -2; -2 = (Ц • ¥2-Ц • ¥\/(Ц • ¿2 -Ц)
7 = 7 + (Ц • ¥ - Ц • ¥ /(Ц • Ц - Ц ); 7 = (Ц • ¥ - Ц • ¥ /(Ц • Ц - Ц );
\х п. ст ^ 2 \х т 2 х V \ 2 т^' \у ^ 2 \ у т 2 у V \ 2 т''
[72х = (Ц • ¥2х - Цт • ¥\х / (Ц • ¿2 - Ц У, /"2у = (Ц • ^2у - Цт <¥\у / (Ц • Ц - Ц ).
Системы уравнений (1) и (2) записаны в координатах x — у — 0. Это позволяет использовать производные потокосцеплений и следующие алгебраические выражения:
09
Я • 4 • 9 Я • 4 • 9,
1 2 1л | 1 т 2 х \Г/ •
— + • Т1 у ,
- шк • 91х;
От 1х 41 • 4 - 42 т 4 • 4 - т
1у Я1 • Ь2 • 91У , Я1 ' + 4 • 9, 2у
От Т • т Ь1 Т2 - 42 т 41 • 4 - 42 т
09, 2 х Я2 • Т1 • 9 2 х | Я • т т • 91х
От Т1 • 4 - тт 41 • 4 - 4т
09, 2 У _ Я2 • Ц • 9 2 у + Я2 • т т • 91у
0т
+ (шк - ш) • 92х;
М = -
Р • Ь
т
Ь1 Ь2 Ьт
(91у • 92х - 91х • 92у);
г Ош
3— = М - Мс. От с
Из векторной диаграммы следует:
(3)
1т = /1 + / 2 .
Обозначаем:
- индуктивности рассеяния статорной и роторной обмоток
Llст = Ll — Lm и L2a = L2 — Lm;
- векторы потокосцеплений:
(4)
(5)
91 = 4П • /1 + Ьт • гт; 92 = 4П • г2 + Ьт • гт.
(6)
Для представленной модели возможны в координатных осях x — у — 0 уравнения для пото-косцеплений и токов:
['91х = 4 • г1х + Цт • Ах ;91, = 4 -4 + Цт-12у;
|9, = Ь • /, + 4 • г. ;9, = Ь • /, + 4 • г. ;9 = л/9; + 9; .
12х т 1х 2 2х ' 2у т 1у 2 2у' Д/ 1х 1у
(7)
Влияние потерь в стали в представленной модели учтено увеличением активной составляющей ilx тока статора на предварительно принятое значение тока потерь в стали iп. ст.
При условии, что г1Л = + □ и /2Л = ф\х + / 2у □ , коэффициент мощности будет
определяться выражением
СОЭф=1 х / г1 я| ,
действующие значения токов фаз статора и ротора:
11 = /ш/>/з и 4 = /2Д /л/3,
КПД:
ц =
М-ш
М-ш + АРОТ + (£ • Я + / 2л • Я2)
(8)
(9)
(10)
Первоначально мощность потерь в стали ДРст « (Р2н / п - Ри) • 0,25 и соответствующее ей
значение тока /п. ст = ДРст / (л/3 • £Лн), которое ей соответствует, необходимо определять в номинальном режиме. Для этого следует получить номинальную мощность Р2н и КПД двигателя.
Для проверки представленной математической модели в программе 8тиПпк была создана модель асинхронного электродвигателя.
Для уточнения параметров модели проводилось определение параметров схемы замещения (ЗМ). В таблице указаны значения для электродвигателя серии 4А80А4.
Параметры схемы замещения
Параметр схемы замещения Паспортные данные параметров СЗ, Ом Полученные данные параметров СЗ, Ом
4А80А4 4А80А4
Ri 9,21 8,1
R2 5,20 5,8
Xi 6,0 6,5
8,73 8,3
Xm 135 154
Для определения параметров нагружения проводились испытания в номинальном режиме. Полученная модель представлена на рис. 1. Здесь учитываются трение и нагрузка. Кроме того, модель содержит измерительные блоки для определения скорости ротора, момента двигателя, тока в статоре, а также его КПД и cos ф.
Рис. 1. Модель асинхронного двигателя с искусственным нагружением
Результаты моделирования представлены на рис. 2. Анализ полученной диаграммы показал, что отклонения момента двигателя, его скорости вращения, номинального тока, номинальной скорости, полученные в результате моделирования системы, отличаются от паспортных значений электродвигателя менее чем на 9%. На рис. 3 представлена механическая характеристика электродвигателя в процессе генераторного торможения.
Основным требованием, предъявляемым к модели в рамках исследования, является корректное изменение значений координат электродвигателя при изменении частоты и напряжения [2].
Нагрузочный режим электрической машины может быть получен различными способами. Изменение параметров электродвигателя возможно при введении возмущения в его работу. Такими способами могут быть противовключение или торможение. Рекуперативное торможение является довольно перспективным и экономичным методом. Кроме того, его получение может быть связано с использованием современных преобразователей частоты. По этим причинам в рамках данного исследования проводились компьютерные эксперименты по переводу электро-
двигателя в режим генератора и исследования его характеристик. Главными характеристиками, на основании которых можно сделать вывод о возникновении нагрузочного режима, соответствующего номинальному, являются мощность на валу двигателя и его ток.
_
Рис. 2. Результаты моделирования
Рис. 3. Механическая характеристика в процессе моделирования
На рис. 4, а представлена диаграмма изменения момента двигателя. Также на рисунке указано максимальное значение момента Ммакс. Значения ДМ1 и ДМ2 соответствуют таковым на рис. 4.
Главным показателем получения номинального режима является ток электродвигателя [3].
Диаграмма тока при циклическом переводе электродвигателя в генераторный режим при помощи рекуперативного торможения показана на рис. 5.
Результаты проведенного на имитационной модели эксперимента свидетельствуют о возникновении и протекании в устойчивом режиме процесса нагружения электродвигателя.
Полученный эквивалентный ток при правильной настройке и подборе частот напряжения соответствует току двигателя в номинальном режиме. Получение такого режима является необходимым условием испытаний электродвигателей переменного тока.
Результаты могут быть использованы для проектирования установки для испытания электрических двигателей после ремонта, которые позволят проверять исправность электрических машин без применения механической нагрузки. При правильном использовании ЭВМ такая система может обладать высокой степенью информативности и точности.
б
Рис. 4. Результаты моделирования при переводе электродвигателя в режим нагружения: а - момент асинхронного двигателя; б - значение тока асинхронного двигателя
б
Рис. 5. Результаты эксперимента по искусственному нагружению: а - значение эквивалентного тока; б - диаграмма токов при переключении
Данная система может быть построена на основе частотного электропривода. Сегодня частотные преобразователи с непосредственной коммутацией предусматривают рекуперативное торможение с отдачей электрической энергии в сеть.
В представленной статье рассмотрены результаты испытаний электродвигателя 4А80А4. В ходе экспериментов были выявлены оптимальные значения частот и амплитуд напряжений для данного двигателя. Нужно отметить, что сегодня своевременного точного диагностирования требуют множество двигателей самых разных параметров. Для этого на основе полученной математической модели необходимо проводить идентификацию схемы замещения электродвигателей и в дальнейшем опытным путем определять оптимальные характеристики нагружения. Также получение оптимальных нагрузочных характеристик возможно не только путем рекуперативного торможения, но и других видов торможения.
Одним из возможных решений является торможение противовключением. Применение данного способа не требует механической нагрузки, что делает его также одним из видов динамического торможения. Этот способ требует также детальной проработки.
Литература
1. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Исследование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 1-2. - С. 408-412.
2. Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для высш. техн. заведений. 3-е изд. - Ленинград: Энергия, 1978. - С. 510-514.
3. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Энергоэффективное нагружение асинхронных электродвигателей в процессе послеремонтных испытаний // Вестник Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - СПб.: ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова, 2014. - Вып. 6. - С. 76-84.
