CC BY
53
3. Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. Метод и алгоритм проектирования компенсированного энергосберегающего асинхронного двигателя // Сборник материалов 5-й Международной (16-й Всероссийской) научной конференции: 18-21 сентября 2007 г. Санкт Петербург, СПб, 2007.
R Murgalimov, V. Kosmatov, A. Murgalimova
Research of power consumption and power efficiency of electric drives ofpump units on the basis of energy saving asynchronous engines
The results of the study of energy efficiency of unregulated and regulated electric pump units that are based on power saving asynchronous engines are discussed. The use of power saving asynchronous engines can reduce the specific consumption of electric power to 9,5...9,7 %, compared with traditional engines.
Keywords: power saving features, unregulated and regulated electric drive, power consumption, frequency of rotation, mathematical parities.
Получено 06.07.10
УДК 629.9:502.14:62-83
Ю.С. Усынин, д-р техн. наук, проф., (351) 267-93-21, m.grigoryev@momentum.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ), М.А. Григорьев, канд. техн. наук, доц., (351) 267-93-21, m.grigoryev@momentum.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ), А.Н. Шишков, доц. (351) 267-93-21, m.grigoryev@momentum.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ), А.Н. Горожанкин, асп., (351) 267-93-21, m.grigoryev@momentum.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ), А.Е. Бычков, студ. (351) 267-93-21, m.grigoryev@momentum.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ)
НОВЫЕ ВЫСОКОМОМЕНТНЫЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Приводятся принцип работы, экспериментальные характеристики, сравнение с другими типами электроприводов, функциональные схемы электроприводов с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения. Обращается внимание на высокие удельные показатели и благоприятные эксплуатационные характеристики электропривода.
Ключевые слова: электропривод, асинхронный двигатель.
Введение. Системный подход к разработке современных сложных электроприводов и, в первую очередь, учёт взаимодействия между электрической машиной и вентильным преобразователем приводят к нетради-
ционным конструкциям электрической машины и вентильного преобразователя, обеспечивающим более высокие удельные показатели электропривода.
Благодаря достижениям в области информационной и силовой электроники в настоящее время наблюдается бурное развитие регулируемого электропривода переменного тока как на базе традиционных электрических машин, так и на основе новых решений. Одно из направлений прогресса связано с упрощением конструкции электрической машины и усложнением управления благодаря "интеллектуальным" силовым модулям, микроконтроллерам. Примером такого подхода может служить электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения (СРДНВ).
Бесконтактное исполнение в сочетании с "холодным" не содержащим обмоток ротором, облегчающим тепловой режим работы подшипников, увеличивают эксплуатационную привлекательность электроприводов с СРДНВ.
Принцип работы. В явнополюсной синхронной машине роль обмотки возбуждения может выполнить и обмотка, размещенная в пазах статора, если, во-первых, ее витки находятся напротив межполюсного промежутка ротора и, во-вторых, эта обмотка имеет полный шаг [1, 2, 3, 4]. Если по обмоткам, расположенным над межполюсным промежутком, пропустить ток, то он создаст поток по продольной магнитной оси машины. Если теперь по обмоткам, расположенным над полюсами ротора, пропустить ток, то создается электромагнитный момент. Токи в обмотках возбуждения, расположенных над межполюсными промежутками ротора, и токи в якорных обмотках, расположенных над полюсами ротора, могут регулироваться независимо и переключаться в функции положения ротора. По этим обмоткам нет необходимости пропускать синусоидальный ток. Более эффективной оказывается прямоугольная форма тока - так же, как в секциях обмотки двигателя постоянного тока. Двигатель работает как многофазный, ток и ЭДС каждой последующей фазы сдвинуты на п / т электрических градусов, где т - число фаз.
Удельные электромагнитные моменты. Сопоставим асинхронный двигатель МО160М4 номинальной мощностью РН = 18,5 кВт и СРДНВ в его корпусе. По сравнению с асинхронным двигателем у СРДНВ была увеличена высота пазов на 35 % за счёт уменьшения внутреннего диаметра расточки статора В на 5 % и спинки статора На на 20 %. Эти пропорции хорошо согласуются с результатами зарубежных авторов, занимающихся СРДНВ [2, 3]. Электропривод с СРДНВ по величине электромагнитного момента на единицу активных материалов превзошёл асинхронный электропривод на 15 %. По величине удельного момента на единицу потерь -на 7 %.При увеличении отношения осевой длины машины к её внутреннему диаметру ¡з / В до 3 из-за уменьшения длины лобовых частей обмоток
относительно активной длины машины указанные показатели возросли на 15.. .20 %. В этом случае уменьшился также момент инерции ротора.
Каких-либо признаков ограничения (насыщения) величины момента от тока вследствие насыщения при больших перегрузках не наблюдалось, что следует признать большим преимуществом рассматриваемого электропривода при работе с механизмами, характеризующимися большими перегрузками по моменту.
Экономия активных материалов. Синхронную реактивную машину независимого возбуждения можно выполнить, во-первых, в корпусе серийного асинхронного электродвигателя, а во-вторых, с двумя раздельными обмотками на статоре, поэтому появляются дополнительные выгоды, связанные с возможностью изменения геометрии штампа железа статора машины данного типа [5, 6]. В синхронной реактивной машине (СРМ) на статоре размещена многофазная силовая обмотка. Она равномерно распределена вдоль внутренней расточки статора в пазах зубцовой зоны (рис. 1) и предназначена для подключения к вентильному преобразователю.
Многофазная обмотка возбуждения с полным шагом предназначена для подключения к управляемым возбудителям. Пакет сердечника статора выполнен в виде квадрата, при этом обмотка возбуждения размещена в дополнительных пазах, которые выполнены в углах пакета (рис. 1, б). Часть электротехнической стали, которая находится в углах пакета и которая при традиционной конструкции электромашины шла бы в обрезь, теперь полезно используется в магнитопроводе, поэтому предлагаемое решение позволяет повысить коэффициент использования электротехнической стали примерно на 15 % по сравнению с традиционными асинхронными электродвигателями.
I 2 3
а б
Рис. 1. Поперечный разрез сердечника статора СРДНВ: а - традиционной конструкции; б - измененной конструкции; 1 - спинка статора; 2 - зубцовая зона, 3 - квадратный паз
Удельныйэлектромагнитный момент, отнесённый к единице массы машины, увеличивается на 20%, а отнесённый к единице потерь - на 18 %.
Повышенная частота вращения. Рассматриваемый электропривод характеризуется высокой жёсткостью ротора, поэтому появляются дополнительные возможности повышения скорости вращения. С ростом частоты вращения увеличивается постоянная составляющая величина потерь АР= (потери в стали статора и ротора, механические и вентиляционные потери). При этом допустимая величина суммарных потерь АР^ остаётся почти постоянной (рис. 2, а). С увеличением частоты вращения величину переменных потерь АР~ (потери в меди обмоток) приходится сокращать. Это приводит к уменьшению допустимого электромагнитного момента на высоких скоростях (рис. 2, б). На низких скоростях момент уменьшается за счёт ухудшения условий охлаждения. По результатам расчёта (эксперимента) в номинальной точке постоянные потери составили 30 %, а переменные - 70 % (рис. 2, а). При независимом возбуждении скорость, при которой постоянные потери станут равны допустимым, составила три номинальных частоты вращения (рис. 2, кривые 1). При последовательном возбуждении потери растут медленнее (рис. 2, а, кривая 2). Это связано с ослаблением поля на скоростях, больших номинальной. Электромагнитный момент в этом случае составил при четырёх номинальных частотах вращения 0,5 МН (рис. 2, б, кривая 2).
Рис. 2. Допустимые потери в электроприводе при расширенном
диапазоне частоты вращения: а - соотношение потерь; б - электромагнитный момент; 1 - независимое возбуждение;
2 - последовательное возбуждение
Надёжность и варианты системы управления электроприводом. Электроприводы с СРДНВ требуют датчиков положения ротора, но схемы управления получаются такие же простые, как в электроприводах постоянного тока.
Выбор того или иного варианта формы тока в обмотках, числа фаз преобразователя, схемы силовых цепей, существенно влияет на удельные
показатели электропривода с СРДНВ. Для СРДНВ традиционной конструкции (см. рис. 1, а) наилучшей является трапецеидальная форма тока при числе фаз, равном шести. Для СРДНВ конструкции, изображённой на рис. 1, б, наилучшей является синусоидальная форма тока при числе фаз, равном четырём.
Выбор схемы силовых цепей определяется формой тока в фазных обмотках (например, при использовании т-фазного инвертора на форму тока накладывается ограничение по 1-му закону Кирхгофа), стоимостью (число ключей на одну фазу) и надёжностью (индивидуальное питание фазных обмоток или совместное) преобразователя.
Фазные обмотки СРДНВ могут подключаться к индивидуальным источникам тока (ИИТ). В этом случае число вентилей преобразователя будет максимальным и равным 4 т (т - число фаз). При использовании такой схемы электропривод характеризуется высокой надёжностью, простой системой управления, высокими удельными показателями.
В случае т-фазного двигателя применима схема т-фазного инвертора. В данном случае снижается надёжность электропривода, усложняется система управления, снижаются удельные показатели, но число ключей уменьшается и составляет 2т.
Рассмотрим влияние отказов в двигателе на характеристики электропривода. Под отказами будем понимать отключение части фазных обмоток. При питании каждой обмотки от индивидуального источника тока (ИИТ) электропривод сохраняет работоспособность. При этом нагрузка перераспределятся между остальными фазами. Короткие замыкания мы не будем рассматривать, так как в этом случае защита от такого режима отключит фазную обмотку от источника питания, и мы придём к первому случаю.
Наименьший ущерб наблюдался тогда, когда отключённые обмотки оказывались равномерно распределёнными вдоль расточки статор. Так, при отключении трёх обмоток относительные пульсации потока и момента увеличились лишь на 20 %
Заключение. Возможность реализации больших перегрузочных моментов, эффективное использование активных материалов при простой системе управления делает электропривод с СРДНВ серьезным конкурентом лучшим традиционным регулируемым электроприводам переменного тока. По мере развития и совершенствования полупроводниковой элементной базы сфера применения этого электропривода будет расширяться.
Работа проводится в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы по проблеме "Энергосберегающие электроприводы с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения" (мероприятие 1.3.2. НК-516П).
Список литературы
1. Weh H. On the Development of Inverter Fed Reluctance Machines for High Power Densities and High Output. ETZ Archiv. Bd. 6. 1984. PP.135-144.
2. Law J.D., Chertok A., Lipo T.A. Design and Performance of Field Regulated Reluctance Mashine // IEEE Trans. on Industry Applications. 1994. № 5. P. 1185-1193.
3. Law J., Busch T., Lipo T. Magnetic Circuit Modeling of the Field Regulated Reluctance Machine, Part I: Model Development // IEEE Transaction on Energy Conversion.1996. №1. Vol. 11. P. 49-56.
4. Усынин Ю.С., Григорьев М.А., Виноградов К.М. Электроприводы и генераторы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения // Электричество. 2007. №3. С. 21-26.
5. Статор синхронного реактивного двигателя независимого возбуждения / Ю.С. Усынин [и др.] // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2007. С. 114-117.
6. Синхронная реактивная машина: пат. 2346376 Рос. Федерация, МПК H 02 K 19/24. № 2007126685/09; заявл. 12.07.2007. Опубл. 10.02.2009. Бюл. №4.
Yu. Usy'nin, M. Grigorev, A. SHishkov, A. Gorozhankin, A. By'chkov
New energy saving high-torque electric drives with synchronous reactive machine of independent excitation
The electric drives with Field Regulated Reluctance Machine are considered. The principle of operation, experimental research, comparison with dc and induction motors, control system of Field Regulated Reluctance Machine are representing. Attention is paid to high specific energy densities of this type machine.
Keywords: electric drive, asynchronous motor.
Получено 06.07.10
УДК 621.13
Ю.Н. Тимонин, зам. ген. директора, (4872) 32-77-69, tul energo@ tula elektra.ru (Россия, Тула, фил. "Тулэнерго" ОАО "МРСК" Центра и Приволжья)
РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Рассмотрены вопросы охлаждения трансформатора за счет применения регулируемого электропривода.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, регулирование частоты вращения, охладители.
Преобразование энергии происходит в трансформаторе с известными потерями. Подавляющая часть потерь выделяется в виде тепла в активных частях трансформатора, его магнитопроводе и обмотках. Магнитные поте-
