CC BY
29
УДК 621.316.71
Коцур М. И.
Канд. техн. наук, доцент, Запорожский национальный технический университет, Украина, E-mail: kotsur_m@ukr.net
ОСОБЕННОСТИ УДАРНОГО ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С МОДИФИЦИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ЧАСТЫХ ПУСКОВ
Проведена сравнительная оценка скорости нарастания температуры не управляемого асинхронного двигателя с фазным ротором и с модифицированной системой импульсного регулирования в цепи ротора в условиях частых пусков, в зависимости от интенсивности его разгона. Разработаны рекомендации по оптимальному управлению асинхронным двигателем с модифицированной системой импульсного регулирования, обеспечивающие наилучший тепловой режим при его пуске.
Ключевые слова: регулирование, асинхронный двигатель, температура, пуск, импульс.
ВВЕДЕНИЕ
При работе крановых асинхронных двигателей (АД) с фазным ротором со значительными периодическими кратковременными нагрузками имеют место пики температуры, которые являются опасными для изоляции обмоток не управляемого АД и могут привести к их разрушению. Из-за большей инерционности системы приводов тяжелых быстроходных мостов, тепловой режим АД в течение нескольких пусков может оказаться выше допустимого, даже если в среднем за продолжительный период частота пусков не превышает допустимого значения. Быстрое повышение температуры обмоток при кратковременных перегрузках объясняется двумя причинами. Во-первых, потери в меди в большей степени возрастают пропорционально квадрату момента. Во-вторых, при кратковременном выделении в обмотках большого количества потерь основная их часть поглощается за счет теплоемкости самой обмотки. При этом теплопередача от обмотки к сердечнику или другим частям АД затруднена. Следствием недооценки значения этого явления бывает систематический выход АД из строя при относительно небольшой средней нагрузке [1, 2].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В настоящее время применяется ряд современных систем регулирования АД, обеспечивающих не только повышение энергетических показателей, но и плавность переходных процессов, за счет которых достигается снижение пикового (ударного) теплового воздействия на активные элементы конструкции АД во время его пуска.
В работе [3] предложена модифицированная система импульсного регулирования (ИР) (рис. 1), имеющая ряд положительных свойств по сравнению с существующими системами регулирования в цепи выпрямленного тока ротора АД (классическая система импульсного регулирования и асинхронный вентильный каскад).
Регулирование частоты вращения ротора, как и в классической системе, выполняется за счет изменения коэф -
фициента заполнения импульса (У) при постоянной частоте коммутации силового ключа. При этом интенсивность разгона АД зависит от скорости изменения у.
В настоящее время не достаточно исследован вопрос определения оптимальной скорости изменения у в процессе разгона АД с модифицированной системой ИР, при которой величина ударной составляющей интенсивности тепловыделения имеет наименьшее значение.
Целью работы является оценка скорости нарастания температуры обмотки статора АД с модифицированной системой ИР в условиях частых пусков, в зависимости от интенсивности его разгона.
Рис. 1. Модифицированная система ИР
© Коцур М. И., 2014 32
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для проведения оценки скорости нарастания температуры АД с модифицированной системой ИР, в зависимости от интенсивности его разгона, в среде Ма1ЬЛБ, с помощью структурных средств 81шиИпк, разработана комплексная имитационная модель электромагнитных и тепловых процессов асинхронного привода. На рис. 2. данная модель представлена в виде блок-схем электромагнитной модели АД с фазным ротором канала регулирования в цепи выпрямленного тока ротора и электротепловой модели АД.
Электромагнитная модель АД представлена в виде известных дифференциальных уравнений с общепринятыми допущениями [4].
Блок цепи выпрямленного тока ротора представлен в виде системы дифференциальных уравнений в зависимости от состояния силового ключа (ЮБТ транзистора) согласно приведенной схеме замещения цепи выпрямленного тока ротора с ИР на рис. 3.
В случае, когда силовой ключ замкнут
ёи
Я ■ 1 + Ь ■—1 = 1,35 • Ерн ■ 5 , 111 <И рн
Я2 = гдр + 2 ГТ +
3•' 5
п
, 3-X
Я1 = ^ + Гт )• 5 + 2- Гг + —-Д—■
п
Ь = 2 Ьд ,
(1)
(2)
(3)
(4)
Рис. 2. Имитационная модель асинхронного привода для комплексного исследования электромагнитных и тепловых процессов в АД
Ь2 = Ьдр + 2 ЬТ , Хд = X + Хг = 2 П - / •(Ь5 + Ьг )
(5)
(6)
где Ерн - номинальное значение ЭДС ротора АД; 5 -скольжение ротора АД; Гдр - активное сопротивление дросселя инвертора; ЬДр - индуктивность дросселя инвертора; гг - активное сопротивление фазы ротора АД; Ьг - полная индуктивность фазы ротора; г 5 - активное сопротивление фазы статора, приведенное к обмотке
ротора АД; Ь5 - полная индуктивность фазы статора,
приведенная к ротору АД; гт - сопротивление магнитного контура АД; Т, Хт - соответственно активное и индуктивное эквивалентные сопротивления фазы согла-
3-X
сующего трансформатора; -д--эквивалентное
п
сопротивление, вызванное коммутацией вентилей вып-3 • Х^, • 5
рямителя; - - эквивалентное сопротивление,
п
вызванное коммутацией вентилей инвертора. В случае, когда силовой ключ разомкнут,
<1 1 Г
Я • I + Ь • ~Т+7-1 =Е5, 11 1 <г С! 2 <0
<1 <3
Я • и + Ь~т+1о~т+К = 5 + (7)
11 1 ёг 2 ёг 2 3 < 0 у (7) +и2Т • С08 в,
=2 + ^
Ю 11
Ф*
гъ
Рис. 3. Схема замещения цепи выпрямленного тока ротора для модифицированной системы ИР
где и2т - напряжение вторичной обмотки согласующего трансформатора; в - фиксированный угол инвертирования.
В блоке расчета основных и дополнительных тепловых потерь в сердечниках и обмотках статора и ротора АД используются общеизвестные уравнения из [2, 5]. — —С Л'-тсо 5'/? (О Электротепловая модель АД описывает тепловые переходные процессы между элементами конструкции АД и позволяет учесть особенности преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию, а также процесс теплопередачи и теплообмена [6, 7, 8, 9]. Электротепловая модель АД основана на эквивалентной тепловой схеме (ЭТС), которая содержит как постоянные, так и
переменные теплопроводности элементов, учитывающие изменение условий охлаждения, вызванные изменением частоты вращения АД. Параметры ЭТС рассчитывались по общеизвестной методике расчета нагрева АД [2].
Расчет тепловых переходных процессов в АД выполнялся путем решения системы дифференциальных урав -нений методом Рунге-Кутта, а именно,
ав,
- С / сек
Л
¿0
-• С =
¿г
-У я -1 j = к
•0н, +.
••• + У 0 У + Р ,
У =к
где ] = к,..., т - номера узлов, имеющих тепловую связь с 1-м участком ЭТС; 0j - температура I -го участка ЭТС;
СI - тепловая емкость I -го участка ЭТС; К- 1 - взаимная тепловая проводимость участков I, у; Р^ - тепловые потери, выделяемые в I -м участке ЭТС.
В качестве объекта исследования использовался АД типа МТБ-111-6, номинальной мощностью Рн =3,5 кВт и
моментом нагрузки М н=39 Нм.
н
Для оценки эффективности управляемого привода на базе АД с фазным ротором, в данном случае модифицированной системы ИР, проведено исследование ударного теплового воздействия на обмотку статора неуправляемого АД.
На рис. 4 приведены зависимости скорости нарастания температуры () обмотки статора в момент пуска не управляемого АД, с моментами нагрузки М с=Мсн, для основного номинального режима работы АД ПВ=0,4 и М с=0,8 М сн, М с=1,2 М сн, М с=1,35 Мн, соответственно для неосновных номинальных режимов - ПВ=0,6, ПВ=0,25, ПВ=0,15.
В момент пуска скорость нарастания температуры лобовой части обмотки статора АД достигает 8 °С/сек, что обусловлено наличием ударной составляющей тока статора. Стоит отметить, что наибольшее значение скорости нарастания температуры не зависит от величины нагрузочного момента М с, так как в период переходного процесса развиваемая скорость АД не достигает номинального значения, и развиваемый момент Мет на валу превышает Мс.
Использование модифицированной системы ИР АД с фазным ротором, как и любая другая система регулирования АД, обеспечивает плавность протекания переходных процессов, как в момент пуска, так и в момент торможения, что в свою очередь приводит к снижению интенсивности тепловыделения в обмотках АД.
На рис. 5 приведены результаты моделирования в виде зависимостей скорости нарастания температуры лобо-
у,\
3 Л » \
\ \ \ ^ \ 1
АУ » V/ 1 % \
• Мс=1.35М,; 2 ■
Рис. 4. Зависимость скорости нарастания температуры от продолжительности разгона до установившегося режима не
управляемого АД типа МТЕ-111-6 для разных Мс
вой части обмотки статора исследуемого АД от продолжительности его разгона при постоянной частоте коммутации силового ключа /к=3 кГц, со значениями производных коэффициентов заполнения импульса
¿г
равных 0,33 о.е/сек (продолжительность разгона АД составляет 3 сек.), 0,16 о.е/сек (6 сек.), 0,11 о.е/сек (9 сек.), 0,083 о.е/сек (12 сек.) соответственно для М с=1,35 Мсн,
Мс=1,2 Мсн, Мс= Мсн, Мс=0,8 Мсн.
Анализ полученных зависимостей показал, что минимально допустимое значение интенсивности тепловыделения обеспечивается при ¿у/ =0,16 о.е/сек, что
/¿г
соответствует продолжительности разгона АД - 6 сек. Последующее снижение ¿у / не приводит к существен-
¿г
ным изменениям в связи с невозможностью дальнейшего ограничения высших гармоник тока статора и ротора в процессе пуска АД. По сравнению с нерегулирован-ным АД, использование модифицированной системы ИР АД с фазным ротором обеспечивает снижение скорости нарастания температуры обмотки статора АД при Мс=1,35 Мсн в 5 раз, при Мс=1,2 Мсн - в 6.25 раза, при
М с=М сн - в 9 раз, при М с=0,8 Мсн - в 11,8 раза.
Таким образом, для обеспечения оптимального теплового режима АД типа МТБ-111-6 с модифицированной системой ИР в условиях частых пусков, достигающих до 3000 включений в час, необходимо, чтобы продолжительность разгона превышала в 6 раз продолжительность его разгона при прямом пуске.
ВЫВОДЫ
Исследование показало, что применение модифицированной системы импульсного регулирования АД на примере МТБ-111-6 позволит снизить скорость нарастания температуры обмотки статора до 12 раз по сравнению со скоростью нарастания температуры при его прямом пуске.
2
1 /■•'-.•
1 /»'-' I // 3
L
* ч
ч \
10
d7_
dj_
— = 0.33 о.е/сек: 3— — = 0.11 о.е/сек;
dt
dy
= 0.16 о.е/сек: +--. —=0.083 о.е/сек;
dy
б)
в)
г )
Рис. 5. Зависимости скорости нарастания температуры от продолжительности разгона до установившегося режима АД типа МТЕ-111-6 с модифицированной системой ИР при разных значениях производных скважности импульса: а) при м с=1,35
Ы„
б) при Mc =1,2 Mсн ; в) при M =Mсн; г) при Mc=0,8 M,
Оптимальный тепловой режим для АД типа МТБ-111-6 с модифицированной системой ИР в режиме пуска обеспечивается при скорости изменения коэффициента импульса, равного 0,16 о.е/сек. При этом продолжительность разгона АД в 6 раз должна превышать продолжительность его разгона при прямом пуске.
Полученные результаты исследования могут быть использованы для оптимального проектирования систем регулирования, тепловой защиты АД с модифицированной системой ИР, предназначенного для тяжелого режима работы, где частота пусков достигает 3000 включений в час.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Краново-металлургические электродвигатели [Текст] / [Н. М. Баталов, В. А. Белый, А. Б. Иоффе и др.]. - М. : Энергии, 1967. - 238 с.
2. Сипайлов Г. А. Тепловые гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах [ Текст]
сн
/ Г. А. Сипайлов, Д. И. Санников, В. А. Жадан. - М. : Высш. Шк., 1989. - 240 с.
Коцур М. И. Особенности режимов работы модифицированной системы импульсного регулирования асинхронного двигателя с фазным ротором [Текст] / М. И. Коцур, П. Д. Андриенко, И. М. Коцур // Електромехашчш i енергозберiгаючi системи. -Кременчук : КрНУУ 2012. - №3(19). - С. 163-165. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин [Текст]/ И. П. Копылов. - М. : Высшая школа, 2001. - 327 с.
Bonnett Austin H. Operating temperature considerations and performance characteristics for IEEE 841 motors [Text] / Bonnett Austin H // IEEE Trans. Ind. Appl. - 2011. - 37, No. 4. - P. 1120-1131. Коцур М. И. Оценка ресурса системы изоляции управляемого асинхронного двигателя с фазным ротором в подсинхронном диапазоне частоты враще-
5.
ния ротора [Текст] / М. И. Коцур, П. Д. Андриенко, И. М. Коцур // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - №5/8(53). - С. 41-45. Коцур М. И. Оценка теплового состояния изоляции асинхронного двигателя с фазным ротором с модифицированной системой импульсного регулирования [Текст] / М. И. Коцур, // Електротехтка та елект-роенергетика. - 2013. - №1. - С. 31-36. Abreu J. P. Induction motor thermal aging caused by voltage distortion and im-balance: loss of useful life
and its estimated cost [Text] / J. P. Abreu, A. E. Emanuel // IEEE Transactions on Industry Applications. - 2008. -No. 1. - P. 12-20.
Hameyer K. Thermal computation of electrical machines [Text]/ K. Hameyer, U. Pahner, R. Belmans, H. Hedia// 3rd international workshop on electric & Magnetic fields, Linge, Belgium, May 6-9, 2009, P. 61-66.
Cmammn nadiûMxa do peda^iï 05.11.2013.
nicnn. dopoÔKU 06.03.2014.
Коцур М. I.
Канд. техн. наук, доцент, Запор1зький нацюнальний техшчний ушверситет, Украша
ОСОБЛИВОСТ1 УДАРНОГО ТЕПЛОВОГО ВПЛИВУ НА АСИНХРОННИЙ ДВИГУН З СИСТЕМОЮ 1МПУЛЬСНОГО РЕГУЛЮВАННЯ В УМОВАХ ЧАСТИХ ПУСК1В
Проведена nopieHrnbHa оцтка швидкостi наростання температури некерованого асинхронного двигуна з фазним ротором, а також з модифжованою системою шпульсного регулювання в кoлiротора в умовах частих nycKie, в зaлежнoстi вiд iнтенсивнoстi його розгону. Розроблет рекомендаци щодо оптимального керування асинхронним двигуном з модифжованою системою iмnyльcнoгo регулювання, ят забезпечують найкращш теп-ловий режим при його пуску.
Ключот слова: регулювання, асинхронний двигун, температура, пуск, мпульс.
Kotsur M.
Dr., Assoc. Prof., Zaporozhzhie National Technical University, Ukraine
FEATURES OF THE OF THERMAL EFFECT IMPACT ON THE ASYNCHRONOUS MOTOR WITH THE MODIFIED PULSE CONTROL SYSTEM IN CONDITIONS OF FREQUENT STARTS
Currently there is no information about the optimal value of the rate of change pulse dutyfactor coefficient in speeding-up modes of asynchronous motor (AM) with the modified pulse control system, where the impact components of the thermal effect intensity is the lowest one.
The aim is to estimate the derivation of the stator temperature, the temperature of AM with the modified system in conditions offrequent starts, depending on the intensity of its speed up.
To estimate the derivation of the stator temperature, the temperature of AM with the modified system, depending intensity of its speed up the complex simulation model of electromagnetic and thermal process are designed. This model describes the thermal transient process in structural elements of AM and allows considering peculiarities ofelectromagnetic energy transformation in thermal energy, heat transferring and heat interchanging processes. The use of AM with the modified system pulse control will reduce the derivation of the .stator temperature, the temperature of AM up to 12 times compared to derivation of the stator temperature, the temperature of AM at direct start. The optimal thermal conditions of AM at rate of change pulse duty factor coefficient equal to 0,16 pu/s is provided.
The results of research can be used to optimize the design of pulse control systems, thermal protection of AM with the modified system for heavy-duty, where the frequency of starts reaches 3000 cycles per hour.
Keywords: regulation, asynchronous motor, temperature, start-up, pulse.
841 motors [Text], IEEE Trans. Ind. Appl, 2011,
REFERENCES
Batalov N. M., BelAy'j V. A., Ioffe A. B. and other Kranovo-metallugricheskie nlectrodvigateli. Moscow, E'nergiya, 1967, 238 p.
Sipajlov G. A., Sannikov D. I., Zhadan V. A. Teplovy'e gidravlicheskie i ae'rodinamicheskie paschyoty' v e'lektricheskix mashy'nax [Text]. Moscow, Vy'ssh. Shk., 1989, 240 p.
Kotsur M. I., Andrienko P. D., Kotsur I. M. Operation modes features of modifícate pulse control system of asynchronous motor with phase rotor [Text], Electromechanical and energy saving systems. Kremenchuk, KrNU, 2012, No. 3 (19), pp. 163-165. Kopulov I. P. Matematicheskoe modelirovanie electricheskih mashun. Moscow, Vusshaya. Shkola, 2001, 327 p.
Bonnett Austin H. Operating temperature considerations and performance characteristics for IEEE
37,
No. 4, pp. 1120-1131.
6. Kotsur M. I., Andrienko P. D., Kotsur I. M. Estimation of isolation system resource drive's asynchronous motor with phase rotor in sub synchronous frequency rotation [Text], Eastern - European Journal of Enterprise Technologies, 2011, №95/8(53), P. 41-45.
7. Kotsur M. I. Estimate of isolation thermal state of asynchronous motor with phase rotor at pulse control modified system [Text], Electronics and electricity, 2013, No. 1. P. 31-36.
8. Abreu J. P., Emanuel A. E. Induction motor thermal aging caused by voltage distortion and im-balance: loss of useful life and its estimated cost [Text], IEEE Transactions on Industry Applications, 2008, No. 1, P. 12-20.
9. Hameyer K., Pahner U., Belmans R., Hedia H. Thermal computation of electrical machines [Text], 3rd international workshop on electric & Magnetic fields, Liuge, Belgium, May 6-9, 2009, P. 61-66.
9.
1.
2.
3.
4.
