CC BY
38
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
УДК 62-83:621/.69
И.М. Васин, канд. техн. наук, ген. директор, (812) 369-92-45, giprokofiev@yandex.ru (Россия Санкт-Петербург, ФГУП «ЦНИИ СЭТ»), Л.Н. Токарев, д-р техн. наук, проф., зам. ген. директора, (812) 369-92-45, tokset@yandex.ru, (Россия Санкт-Петербург, ФГУП «ЦНИИ СЭТ»), Ю.П. Коськин, д-р техн. наук, проф., (812) 234-39-32, giprokofiev@yandex.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ»), Г.И. Прокофьев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (812) 234-39-32, giprokofiev@yandex.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)
ОБ ОПТИМАЛЬНОЙ ЧАСТОТЕ НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ
Представлены компьютерные модели и решение задачи об оптимальной частоте номинального напряжения для асинхронных частотно-регулируемых гребных электродвигателей судовых систем электродвижения.
Ключевые слова: оптимальная частота номинального напряжения, асинхронные частотно-регулируемые гребные электродвигатели, системы электродвижения.
Исходные положения
В электроприводах [1, 2] и электроэнергетических системах различного назначения расширяется применение полностью управляемых полупроводниковых преобразователей, позволяющих улучшить массогаба-ритные показатели и управляемость, снизить вибрации, повысить КПД, создавать механизмы и установки нового типа [3, 4].
Совершенствование преобразователей частоты сопровождается переводом судовых систем электродвижения (СЭД) на переменный ток с использованием, главным образом, асинхронных и синхронных гребных электродвигателей (ГЭД) [7, 8, 9].
Применение преобразователей частоты (ПЧ) обеспечивает возможность использования в СЭД нестандартных значений напряжения и частоты [2], оптимизируя компоненты СЭД, например, по массогабаритным показателям.
Проблеме оптимизации СЭД и судовых асинхронных двигателей посвящены работы [1, 3], но в них не рассматриваются новые возможности, обусловленные оптимальным совмещением электронных устройств и электромеханических преобразователей [4].
В СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ФГУП «ЦНИИ СЭТ» разработаны компьютерные модели, позволяющие оптимизировать СЭД, задаваясь номинальными значениями напряжения или тока. Модели включают системы известных уравнений и методики [5, 6], используемые в последовательности, обеспечивающей определение размеров активного ядра ГЭД при вариации обмоточных данных и технико-экономических показателей.
Представленные в докладе результаты оптимизации асинхронных СЭД получены при допущении, что номинальные значения КПД V и коэффициента мощности COS машины изменяются в зависимости от номинальной мощности и числа полюсов в соответствии с графиками рис. 1.
п, лпс п
г 1
— **
„ —- 2р=
2р=
—2р=
2d=
2р=
2р=
2р=
2р=
2р-
2р=
2Р=
2р=
:
>-
2р
Рис. 1. Результаты оптимизации асинхронных ГЭД
Значения, не регламентируются, учитывая применение ПЧ [2]. Тепловое состояние ГЭД оценивается по произведению линейной нагрузки и плотности тока [6].
Используемые далее термины и обозначения являются общепринятыми и соответствуют применяемым в [6]. Оптимизация производится по первым пространственным и временным гармоникам потоков, токов и напряжений.
2. Конструктивная схема ГЭД Сопоставляемые варианты асинхронных ГЭД имеют одинаковое горизонтальное исполнение (рис. 2) и статоры с шестифазными обмотками, роторы с короткозамкнутой медной обмоткой, используется электротехническая сталь толщиной 0,5 мм.
2 - пакет статора; 3 - корпус; 4 - каркас ротора; 5 - подшипниковые узлы; 6- вал; 7 - воздухоохладитель
3. Критерий оптимизации КУА и компьютерные модели Варианты ГЭД сопоставляются с помощью критерия использования
активного объема Т^, где Р* - номинальная мощность (Вт), ЗЯ - объем активного ядра, м3.
Для решения задачи используются специально разработанные компьютерные модели, включающие алгоритмы определения размеров активного ядра:
при условии заданного и неизменного в сопоставляемых ГЭД номинального напряжения (модель ШлМШШШ);
при условии заданного и сохраняемого неизменным при вариации и
обмоточных данных номинального тока в статорной обмотке (модель
™жв, ^^
Модель Ш ■ Со;::; обеспечивает выполнение расчетных операций в следующей последовательности:
1. Задаемся значениями номинальной мощности, номинального фазного напряжения, числа фаз, числа полюсов (главная варьируемая переменная) - по рис. 1 определяются значения номинальных V и <Р;
2. Задаемся числом Ч пазов на полюс и фазу и находим число пазов статора 7 л.;
3. Задаемся числом параллельных ветвей а и числом эффективных проводов в пазу находим число витков в фазе обмотки статора;
4. По формуле
определяем номинальный ток статора и, задаваясь плотностью тока Л, находим сечение эффективного проводника.
Считается, что все ГЭД выполняются с прямоугольными пазами в статоре и роторе; диаметр вала и величина воздушного зазора между статором и ротором отвечают требованиям по допускаемому эксцентриситету, зазор и параметры обмоток статора и ротора обеспечивают получение
исходных значений п и ¿с.
Машины имеют принудительное воздушное охлаждение с водяным воздухоохладителем.
1. Задаемся величиной ш - коэффициента заполнения паза статора медью (с учетом типа изоляции и технологии производства ГЭД) и находим площадь поперечного сечения, высоту и ширину паза статора;
2. По заданным значениям - номинальной синхронной частоты вращения ГЭД и
- определяем номинальную частоту тока; задаемся В-~ , ^^^ и находим произведение где ^¿1 -
диаметр расточки статора, м; ^з - расчетная длина воздушного зазора, м; -
значениями
обмоточный коэффициент;
З.Для обычно используемых значений магнитной индукции ^ в
зубцах статора находим значения коэффициента где коэффициент заполнения сердечника ротора сталью и диаметр ;
4. Находим длину
м;
5 .Задаемся величиной магнитной индукции в спинке статора и
находим высоту
спинки статора при допущении, что суммарная длина
пакетов стали ьш - м;
6.Определяем наружный диаметр сердечника статора, м;
7.По известным формулам [6, стр. 198] находятся вылет 1&ыд обмотки статора, осевая длина ^а и объем активного ядра:
м;
м
8.Для различных значений А
и других варьируемых
Ш ШММлШкЪ
переменных определяются значения _
В компьютерной модели с все формулы и расчетные
процедуры сохраняются, но меняется порядок их использования, начиная с
п.4, где определяется напряжение пунктах
Во всех остальных
4. Результаты компьютерного моделирования Рассмотрены варианты ГЭД мощностью 1; 5; 10; 15 и20 МВт при
■^ii
■
при изменении числа полюсов от до
и ШШ - по рис. 1.
частоте вращения
Значения магнитных индукций в зазоре и в стали, плотности тока и линейные токовые нагрузки, а также другие варьируемые переменные и постоянные задавались в диапазонах изменения, допускаемых технологиями современного крупного электромашиностроения, значениями V и COS а также допускаемыми нагревами^
Получены кривые зависимости от для
ные на рис. 3. _
1 МВт ; кривая 2 -
представлен-
На рис. 3 Кривая 1 -
ш
кривая 5 - Р* — 1 &
щ-
& штш
в
; кривая 3 -; кривая 6 -
- ?мв. ; кривая 4 -
ш f ; кривая 7 -
Графики рис. 3, а также результаты большого числа других аналогичных расчетов показывают, что значения и , соответствующие максимальным значениям , зависят от ^ и имеют значения (для
ШШШ
для
SDlHffiJ
; для
; для
Рт ■ИМИВт
Рис. 3. Зависимость ш от числа полюсов и мощности
Анализ показывает, что во всех рассмотренных вариантах СЭД наблюдаются несколько значений , при которых максимальные значения различаются между собой на 2...5 %, т.е. незначительно. Это свидетельствует о том, что при определении целесообразно ориентирваться не на одно значение , а на несколько значений, как правило, два-три, расположенных
рядом на графиках ^РЛ-С^Р1^.
Моделирование и анализ СЭД с Шш ^ 2 предполагают применение стержневых обмоток. В то же время наличие технологий, позволяющих применять Ш ™
позволяет значительно повысить использование СЭД (кривые 6 и 7 на рис. 3 для Ря = ).
Анализ также показывает, что существуют предельные для заданных значения Ш, превышение которых характеризуется уменьшением использования активного объема ГЭД.
5. Выводы
Применение в СЭД частотно-регулируемых ГЭД требует решения задачи о подборе для них оптимальных значений частоты и напряжения. Разработанные в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ФГУП «ЦНИИ СЭД» компьютерные модели и методики обеспечивают оптимизацию систем электродви-
8
жения по массогабаритным показателям при заданных значениях КПД и коэффициента мощности.
Список литературы
1. Айзенштадт Е.Б., Паршиков В.А. К вопросу об определении оптимальной частоты тока в ГЭУ переменного тока: тр. ЦНИИ СЭТ, 1970. Вып. 1. С. 16-24.
2. Беспалов В.Я. Перспективы создания отечественных электродвигателей нового поколения для частотно-регулируемого электропривода. http: //esco-ecosys.narod.ru/2005_6/art104.pdf.
3. Коськин Ю.П. Об оптимальной частоте для короткозамкнутых асинхронных двигателей //«Судовая электротехника и связь». 1958, №1. С. 27-42.
4. Коськин Ю.П. Развитие электромеханики в теории и технологиях электромеханотроники //Изв. вузов. Электромеханика. 2008. №1. С. 11-20.
5. Моделирование систем с транзисторными преобразователями и многофазными асинхронными машинами с учетом тепловых процессов. / А.Г. Воронцов [и др.] / Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2008. №7. С. 41-52.
6. Проектирование электрических машин: учеб. пособие для вузов / Б.К. Копылов [и др.]; под ред. И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980, 496 с.
7. Hodge C.G., Mattick D.J. The Electric Warship, РаЛ I-VI. Transactions JMarE. 1996-2001. Р. 108-113.
8. Hodge C.G., Mattick D.J. The Electric Warship: Then, Now and Later, Converteam UK Ltd, JNEC-2008, Hamburg, Germany, April 2008.
9. Little G.T., Young S.S., Newell J.M. The Electric Warship VII - The Reality // Journal of Marine Design and Operations. 2008, №B2, Р. 3-16.
I. Vasin, L. Tokarev, Uy. Koskin, G. Prokofiev
About optimum frequency of rated voltage for frequency-regulated electric motors of systems of electromovement
The computer models and the solution of the nominal voltage optimal frequency for ship-electric engines systems asynchronous variable-speed electric propulsion are presented.
Keywords: optimum frequency of rated voltage, asynchronous frequency-regulated rowing electric motors, electromovement systems.
Получено 06.07.10
