CC BY
13
2) ротор с восемью призматическими магнитами с V-образным расположением двух магнитов для каждого полюса, встроенные в сердечник ротора из магнитомягкого материала.
Необходимо отметить, что наименьшее содержание высших гармоник в нормальной и тангенциальной составляющих магнитной индукции обеспечиваются при использовании четырех магнитов с тангенциальным намагничиванием на втулке из немагнитного материала.
Список литературы
1. Krause P., Wasynczuk O., Sudhoff S. Analysis of Electric Machinery and Drive Systems. New York: IEEE Press Wiley, 2002, 613 p.
2. Hughes A. Electric Motors and Drives. Fundamentals, Types and Applications. Elsevier, 2006, 410 p.
3. Karnavas Y., Chasiotis I., Peponakis E. Permanent Magnet Synchronous Motor Design Using Grey Wolf Optimizer Algorithm // International Journal of Electrical and Computer Engineering. 2016. Vol. 6, no. 3. P. 1353-1362.
4. Bjork R., Smith A., Bahl C. Analysis Of The Magnetic Field, Force And Torque For Two-Dimentional Hal-bah Cylinders // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2010. Vol. 322, no. 1. P. 133-141.
5. Ishikawa T., Watanabe T., Kurita N. Effect of Cleaning Level on Topology Optimization of Permanent Magnet Synchronous Generator // IEEJ Journal of Industry Applications. 2017. Vol. 6, no. 6. P. 416-421.
6. Dyck D., Lowther D. Automated Design of Magnetic Devices By Optimizing Material Distribution // IEEE Trans. on Magnetics. 1996. Vol. 32, no. 3. P. 1188-1193.
7. Takahashi N., Yamada T., Miyagi D. Examination of Optimal Design of IPM Motor Using ON/OFF Method // IEEE Trans. on Magnetics. 2010. Vol. 46, no. 8. P. 3149-3152.
8. Okamoto Y., Tominaga Y., Sato S. Topological Design for 3-D Optimization Using the Combination of Multistep Genetic Algorithm with Design Space Reduction and Nonconforming Mesh Connection // IEEE Trans. on Magnetics. 2012. Vol. 48, no. 2. P. 515-518.
9. Sato T., Igarashi H., Takahashi S., Uchiyama S., Matsuo K., Matsuhashi D. Shape Optimization of Rotor in Interior Permanent Magnet Motor Based on Topology // IEEJ Trans. on Industry Applications. 2015. Vol. 135, no. 3. P. 291-298.
10. URL: http://www.femm.info (дата обращения: 17.07.2019).
УДК 621.313.333:621.3.07
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ В СХЕМЕ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF METHOD OF REDUCING LOSSES IN ASYNCHRONOUS MOTORS TESTING BY MUTUAL LOADS
В. В. Харламов, Д. И. Попов
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия
V. V. Kharlamov, D. I. Popov
Omsk State Transport University, Omsk, Russia
Аннотация. Проведен анализ процесса испытаний электрических машин методом взаимной нагрузки, при котором в качестве нагрузочной применяется асинхронная машина. Для рассматриваемых схем предложен способ повышения энергетической эффективности за счет регулирования параметров напряжения, подаваемого на обмотку статора нагрузочной машины. Уточнена математическая модель системы двух механически связанных трехфазных асинхронных машин путем учета зависимости мощности магнитных потерь в статоре от частоты и действующего значения напряжения. Математическое моделирование и экспериментальные исследования показали эффективность предложенного способа снижения потерь. Результаты математического моделирования на машинах различной мощности показали значительное снижение эффективности предложенного способа для машин большой мощности. Полученные результаты рекомендованы к внедрению на предприятиях, занимающихся производством и эксплуатацией электрических машин.
Ключевые слова: асинхронная машина, преобразователь частоты, энергетическая эффективность, метод взаимной нагрузки, регулирование напряжения
DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-79-84
I. Введение
Современные разработки в области управления асинхронными электроприводами позволили значительно повысить их энергетическую эффективность, расширить сферы применения [1-7]. Преобразователи частоты, разработанные на базе ЮВТ-транзисторов, позволяют эффективно применять различные законы регулирования частоты питающего напряжения для снижения потерь в процессе электромеханического преобразования [8-10]. Производство и эксплуатация асинхронных двигателей на различных этапах их жизненного цикла требует проведения испытаний в соответствии с действующими стандартами. Из всех обязательных типов испытаний наиболее энергозатратным является испытание под нагрузкой. В целях экономии энергии при испытаниях ранее предложен метод взаимной нагрузки [11-12]. Схемы, позволяющие осуществить испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки, представлены в литературных источниках [13-17].
При нагрузочных испытаниях электродвигатель должен быть нагружен номинальной механической мощностью при параметрах питающего напряжения, наиболее близко соответствующих номинальным значениям. Параметры режима работы генератора не оговариваются.
II. Основная идея
Существующие схемы взаимной нагрузки не используют возможность повышения энергетической эффективности испытательной установки за счет регулирования параметров напряжения, подведенного к обмотке статора нагрузочного генератора [13-17]. Для реализации данной идеи необходим комплекс технических устройств, приведенный на рис. 1.
Рис. 1. Фрагмент схемы испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки
Представленная блок-схема (рис. 1) включает общие для известных схем испытания элементы: испытуемый асинхронный двигатель 1, муфта 2, нагрузочная асинхронная машина 3, управляемый инвертор 4. Также на блок схеме приведены элементы, необходимые для осуществления регулирования: система управления 5, вычислитель частоты напряжения 6, датчик частоты вращения 7. На обмотку статора испытуемого асинхронного двигателя подается переменное трехфазное напряжение. На силовой вход управляемого инвертора подается постоянное напряжение.
III. Принцип работы схемы испытаний
Предложенный способ повышения энергетической эффективности схемы испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки (рис. 1) предполагает следующий принцип ее работы. Вначале обе асинхронные машины запускают на холостом ходу. При этом на обмотку статора испытуемого двигателя подается номинальное напряжение по частоте и действующему значению.
Рис. 2. Механические характеристики испытуемой и нагрузочной машины
Далее вывод испытуемого асинхронного двигателя на режим номинальной нагрузки происходит путем задания разности частот напряжений, подаваемых на обмотки статора обеих машин. Механические характеристики испытуемого асинхронного двигателя и нагрузочной асинхронной машины при этом принимают вид, приведенный на рис. 2а. Сплошная линия соответствует механической характеристике испытуемого асинхронного двигателя, пунктирная линия - механической характеристике нагрузочной асинхронной машины. Частота вращения ротора п, контролируемая при помощи датчика частоты вращения, принимает значение равное номинальному значению частоты вращения ротора испытуемого асинхронного двигателя пп.
На следующем этапе происходит пошаговое снижение частоты напряжения /2, питающего нагрузочную машину, контролируемое при помощи вычислителя частоты напряжения. После каждого шага снижения частоты /2, если частота вращения ротора п увеличилась, то производится плавное снижение действующего значения напряжения П2, питающего нагрузочную машину, до достижения частоты вращения ротора номинального значения (п = пп).
В процессе регулирования частоты /2 и действующего значения напряжения П2 механические характеристики машин принимают вид, приведенный на рисунке 2, б. Процесс регулирования должен осуществляться до достижения максимальной мощности, вырабатываемой нагрузочной асинхронной машиной.
IV. Математическая модель
Для оценки энергетической эффективности регулирования параметров напряжения, подведенного к обмотке статора нагрузочного генератора, выполнено математическое моделирование работы схемы испытаний (рис. 1). Математическая модель пары асинхронных машин, работающих по методу взаимной нагрузки, рассмотрена в источнике [18]. Данная модель состоит из уравнения движения и уравнений, составленных по второму закону Кирхгофа для каждой фазы статора и ротора обеих машин. Однако данная математическая модель не учитывает зависимость магнитных потерь в статоре от действующего значения напряжения. Данное допущение неприменимо для анализа энергетических процессов в рассматриваемой системе (рис. 1) при регулировании параметров напряжения на выходе управляемого инвертора. Учтем в уравнении движения момент потерь в виде двух составляющих, одна из которых обусловлена механическими потерями, а другая - потерями в магнитной системе статора:
^ = {А2[/11а(/12Ъ - г12с ) + '11ъ('12с - г12а) + /11с (/12а - '12ъ)] + ■■■
...+ ¿^Ко^ъ -¿22с) + 12\ъ(/'22с -/22а) + 'Лс(/22а -¿22ъ)]}- МтесЬ* ^яда(т),
где ю - угловая скорость вращения ротора;
t - время;
р - число пар полюсов;
3 - момент инерции;
£112, Ы12 - наибольшие значения взаимных индуктивностей трехфазных обмоток машин;
/11а, /11Ь, /11с - токи обмотки статора первой машины;
/1'2а, /1'2Ь, ¿1'2с - токи приведенной обмотки ротора первой машины;
/21а, /21Ь, /21о - токи обмотки статора второй машины;
/2'2а, /2'2Ь, /2'2о - токи приведенной обмотки ротора второй машины;
Мпесь - тормозной момент, обусловленный механическими потерями в системе;
Мтщ> - тормозной момент, обусловленный магнитными потерями в статорах машин.
Параметры схемы замещения и составляющие потерь асинхронных машин определены по методике, представленной в источнике [19]. Данная методика позволяет получить приближенные параметры асинхронной машины, исходя из ее каталожных данных и ряда принятых допущений.
Момент потерь, обусловленный механическими потерями, может быть найден как
м _ДР1тесЬ +ДР2тесЬ
тесЬ
т
где АР1те0ь - механические потери мощности в испытуемом двигателе; АР2теоЬ - механические потери мощности в нагрузочной машине.
Зависимость магнитных потерь в статорах обеих машин от параметров напряжения, подаваемого на нагрузочную машину, может быть аппроксимирована в виде:
M =■
mag
API
mag
AP2
mag
U 2 U2~
f 2 f 2n
s 1.2
где AP1mag, AP2mag - магнитные потери мощности в испытуемом двигателе и нагрузочной машине; U2n, f2n - действующее значение и частота номинального напряжения нагрузочной машины; U2, f2 - действующее значение и частота напряжения, подаваемого на нагрузочную машину. В результате математического моделирования получены зависимости для асинхронных машин типа 1ММ71В4У2 (номинальная мощность Pn = 0,37 кВт) и 5АМН315М4 (номинальная мощность Pn = 250 кВт), приведенные на рисунках 3, 4 (сплошная линия).
2
+
ю
ю
V. Экспериментальная установка
Экспериментальная проверка результатов математического моделирования проведена на испытательном стенде с нагрузочной асинхронной машиной типа 1ММ71В4У2, работающей в генераторном режиме. Паспортные параметры данной машины: Pn = 0,37 кВт, 1п = 2,37/1,37 А, Цп = 220/380 В, соб^п) = 0,7, пп = 1370 мин-1. На валу нагрузочной машины обеспечивались постоянные значения момента нагрузки и частоты вращения. Регулирование параметров напряжения осуществлялось двухзвенным преобразователем частоты, имеющим паспортные параметры: номинальный ток на выходе - 1,2 А, напряжение на выходе - 0...400 В, частота напряжения на выходе - 0.60 Гц. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.
, т ,
Преобразователь частоты
Лабораторный
Рис. 3. Схема экспериментальной установки
При выполнении эксперимента осуществлялось ручное регулирование параметров напряжения, подаваемого на обмотку статора асинхронной нагрузочной машины при помощи преобразователя частоты и лабораторного автотрансформатора. Механические параметры на валу задавались плавным регулированием напряжения якоря приводного двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.
В результате эксперимента получены зависимости, приведенные на рис. 5 (пунктирная линия).
VI. Анализ результатов математического моделирования
и экспериментальных исследований
Анализ графиков, полученных в результате математического моделирования и эксперимента (рис. 4, 5), показывает их качественное совпадение. На каждой кривой присутствует точка максимума, соответствующая наибольшей энергетической эффективности схемы испытаний. Данная точка для машины, с которой проводился эксперимент, соответствует мощности приблизительно в пять раз большей, чем можно получить, например, при регулировании параметров напряжения, подаваемого на генератор, по закону Uf= const (рис. 5). Однако для асинхронного двигателя большой мощности (рис. 4) данные точки находятся достаточно близко друг к другу, при этом точка максимума лежит правее.
P2
1.0 0.9 0.8 .0.7 0.6
0.5
1 1 U/f = const ——^
P2
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
X
\ U/f= const
45
46 47
/2~
48 Гц
->
50
100 200 300 400 В
U 2->
600
Рис. 4. Результаты математического моделирования с машинами номинальной мощностью Рп = 250 кВт
P2
60 Вт 40 30 20 10 0
P2
60 Вт 40 30 20 10 0
Расче т r s
/ / / Vi V
/ / / / Эксп гриме: т
/ / i
U/f= const л
25 27 29 31 33 35 37 39 41 Гц 45
f2->
Рис. 5. Результаты математического моделирования и экспериментов с машинами номинальной мощностью Рп = 0,37 кВт
30 60 90 120 150 В 210
U 2->
VII. Выводы и рекомендации
Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований показывают, что для повышения энергетической эффективности может быть применено регулирование параметров напряжения питания нагрузочного асинхронного генератора в схеме взаимной нагрузки. Эффективность применения такого регулирования снижается при увеличении номинальной мощности испытуемых машин.
Данный способ рекомендуется к внедрению на предприятиях, занимающихся производством и эксплуатацией электрических машин.
Список литературы
1. Омельченко Е. Я. Основные направления развития автоматизированного электропривода // Электротехнические системы и комплексы. 2014. № 4 (25). С. 4-7.
2. Steimel A. «Power-electronic grid supply of AC railway systems» // 2012 13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM), 2012. Р. 16-25.
3. Bulucea C. A, Nicola. D. A., Rosen M. A., Mastorakis N. E., Bulucea C. A. Operation analysis of AC traction motors in terms of electromagnetic torque capability on sustainable railway vehicles // MATEC Web Conf., Oct. 2016. Vol. 76. Р. 02005.
4. Wei Cong, Feng Zhao, Xinhua Guo, Xuhui Wen, and Yongxing Wang. Solutions and experimental verification of bipolar selected harmonics elimination PWM waveforms Applied in control system of induction machine // 2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering, 2011. Р. 6121-6124.
5. In'kov Y. M., Litovchenko V. V., Feoktistov V. P. A two-system freight electric locomotive for railroads of the Russian Federation // Russ. Electr. Eng. 2014. Vol. 85, no. 3. Р. 176-182.
6. Smarandescu I. D., Marinescu R. F., Nicolae M. S., Nicolae P. M. Considerations on designing and simulation of an induction motor drive system for an electric locomotive 2017 International Conference on Modern Power Systems (MPS). 2017. Р. 1-5.
7. Struharnansky E., Vittek J., Makys P., Ilonciak J. Vector Control Techniques for Traction Drive with Induction Machines - Comparison // Procedia Eng. 2017. Vol. 192. Р. 851-856.
8. Rosa F. De, Langella R., Testa A. Evaluation of harmonics and interharmonics produced by AC/DC/AC conversion systems // 2004 11th International Conference on Harmonics and Quality of Power (IEEE Cat. No.04EX951), 2004. Р. 495-500.
9. Zhou Yue. A study of a novel AC-DC-AC matrix converter with high voltage transfer ratio // 2011 International Conference on Business Management and Electronic Information, 2011. Р. 721-725.
10. Blaabjerg F., Pedersen J. K., Jaeger U. Evaluation of modern IGBT-modules for hard-switched AC/DC/AC converters // IAS '95. Conference Record of the 1995 IEEE Industry Applications Conference Thirtieth IAS Annual Meeting, 1995. Vol. 2. Р. 997-1005.
11. Beyerleyn E. V. , Tyuteva P. V. Energy efficiency of back-to-back method for induction traction motors testing // 2014 15th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), 2014. Р. 359-361.
12. Kazakov Y., Palilov I. Research Related Electromechanical Processes in an Asynchronous Traction Motor -Asynchronous Generator with Common Shaft Based on Field Model // Adv. Electr. Electron. Eng. Dec. 2015. Vol. 13, no. 5. DOI: 10.15598/aeee.v13i5.1388.
13. Пат. 99186 Российская Федерация, МПК G 01 R 31/34. Стенд для испытаний асинхронного тягового электродвигателя / Козлов Л. Г., Осипов С. С., Феоктистов В. П., Коновалов В. А. № 2010122670/28; заявл. 04.06.10; опубл. 10.11.10, Бюл. № 31.
14. Пат. 2200960 Российская Федерация, МПК G 01 R 31/34. Устройство для испытаний бесколлекторных электрических машин переменного тока / Курбасов А. С., Таргонский И. Л., Долгошеев Э. А. № 2001101213/09; заявл. 12.01.01; опубл. 20.03.03, Бюл. № 8.
15. Бейерлейн Е. В., Рапопорт О. Л., Цукублин А. Б. Схема испытаний тяговых частотно-регулируемых асинхронных электродвигателей // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2006. № 3. С. 46-48.
16. Пат. 140678 Российская Федерация, МПК G 01 R 31/34. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / Авилов В. Д., Попов Д. И., Литвинов А. В. № 2013147519/28; заявл. 24.10.13; опубл. 20.05.14, Бюл. № 14.
17. Пат. 145998 Российская Федерация, МПК G 01 R 31/34. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / Авилов В. Д., Харламов В. В., Попов Д. И., Литвинов А. В. № 2014112920/07; заявл. 02.02.14; опубл. 27.09.14, Бюл. № 27.
18. Kharlamov V. V., Popov D. I. Mathematical modeling of physical processes in the complex for testing of induction machines // MATEC Web Conf., May 2018. Vol. 239. Р. 01055.
19. Фираго Б. И., Павлячик Л. Б. Регулируемые электроприводы переменного тока. Минск: Технопер-спектива, 2006. 363 с.
