CC BY
127
УДК 621.311.245
Шевченко Валентина Владимировна, канд. техн. наук, доц., профессор кафедры электрических машин; e-mail: zurbagan @mail.ru, тел (+38) 050-407-84-54 Горюшкин Никита Игоревич, магистр кафедры электрических машин; e-mail: goryushkinnikita@gmail.com, тел. (+38) 097-818-47-52
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, Украина, ул. Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002
Лизан Игорь Ярославович, канд. техн. наук, доц., доцент кафедры охраны труда и экологической безопасности. e-mail: mail-korpusl@yandex.ru, тел. (+38) 099-764-97-34
Учебно-научный профессионально-педагогический институт Украинской инженерно-педагогической академии, г. Артемовск, Донецкой обл., Украина, ул. Артема, 5, г. Артемовск, Донецкой обл., Украина, 84500
СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ ПРИ ЗАМЕНЕ МАТЕРИАЛА ОБМОТКИ РОТОРА И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ИХ УЛУЧШЕНИЮ
В статье проанализированы вопросы изменения геометрии зубцовой зоны ротора асинхронного двигателя, которые необходимо выполнить при изменении материала обмотки ротора, с целью обеспечения достаточных пусковых характеристик и сохранения энергетических показателей.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, ротор, форма паза ротора, медная обмотка, алюминиевая обмотка
Шевченко Валентина Володимирiвна, канд. техн. наук, доц., професор кафедри електричних машин; e-mail: zurbagan @mail.ru, тел (+38) 050-407-84-54 Горюшкш Микита 1горевич, мапстр кафедри електричних машин; e-mail: goryushkinnikita@gmail.com, тел. (+38) 097-818-47-52
Нацюнальний техшчний ушверситет «Харшвський полтгехшчний шститут», м. Харшв, Украша, вул. Фрунзе, 21, м. Харшв, Укра1на, 61002
Лизан 1гор Ярославович, канд. техн. наук, доц., доцент кафедри охорони пращ i еколопчно! безпеки. e-mail: mail-korpus1 @yandex.ru, тел. (+38) 099-764-97-34
Учбово-науковий професшно - педагопчний шститут Украшсько! шженерно-педагопчно! академи, м. Артемiвськ, Донецька обл., Украша, вул. Артема, 5, м. Артемiвськ, Донецька обл., Украша, 84500
ПОР1ВНЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННИХ ДВИГУН1В З КОРОТКОЗАМКНЕНИМ РОТОРОМ ПРИ ЗАМ1Н1 МАТЕР1АЛУ ОБМОТКИ РОТОРА I ПРОПОЗИЦП ЩОДО 1Х ПОЛ1ПШЕННЯ
У статтi проаналгзоват питання змти геометрИ зубцеву зони ротора асинхронного двигуна, ят необхiдно виконати при змн матерiалу обмотки ротора, з метою забезпечення достатнiх пускових характеристик i збереження енергетичних показниюв.
Ключовi слова: асинхронний двигун, ротор, форма паза ротора, мiдна обмотка, алюмiнieва обмотка
Shevchenko V.V., Ph.D., docent, professor the department of electrical machines; e-mail: zurbagan @mail.ru, tel. (+38) 050-407-84-54 Goryushkin N.I., master - student the department of electrical machines, e-mail: goryushkinnikita@gmail.com, tel. (+38) 097-818-47-52
National Technical University "Kharkov Polytechnic Institute", Kharkov, Ukraine, str. Frunze, 21, Kharkov, Ukraine, 61002
Lisan I.Y., Ph.D., docent, docent the department of occupational and environmental safety, e-mail: mail-korpus1 @yandex.ru, tel. (+38) 099-764-97-34
Educational Researcher professional pedagogical institute Ukrainian Engineering and Pedagogical Academy, Artemovsk, Donetsk region, Ukraine, str. Artem, 5, Artemovsk, Donetsk region, Ukraine, 84500
A COMPARISON OF THE ASYNCHRONOUS MOTOR CHARACTERISTICS WITH SQUIRREL CAGE BY REPLACING THE MATERIAL OF THE ROTOR WINDING AND SUGGESTIONS FOR IMPROVEMENT
Have been analyzes the questions of the changes the geometry toothed zone asynchronous motor rotor, that must be done when changing the material of the rotor winding. It is noted that the use of the asynchronous generator with wound cast copper rotor winding instead of cast aluminum winding, is not a problem. But for motors with rotor copper windings should conduct additional studies to ensure acceptable starting characteristics and conservation of energy indicators. It was found that the deepening of rotor slot by 15 % will lead to increased influence of crowding out current and will provide for the asynchronous motor with a copper rotor winding same starting characteristics, which
have been the engine with aluminum one. The results were obtained under the condition of conservation cross-sectional area of the groove, i. e. copper consumption and cost.
Keywords: asynchronous motor, rotor, the shape groove of the rotor winding, copper winding, aluminum winding.
Введение
В настоящее время основным определяющим фактором выбора любого технического решения является оценка его энергоэффективности. Для принятия решения об изменении технического решения, расчетных параметров любой конструкции должно накопится и стать возможным для использования достаточное количество инноваций в рассматриваемой и сопутствующих отраслях. Следует отметить целый ряд новых возможностей, которые можно использовать при проектировании современных электрических машин:
- новые материалы (новые марки электротехнических сталей, изоляционные материалы);
- новые технологии, которые были ранее недоступны (например, возможность выполнения литой медной обмотки короткозамкнутого ротора с обеспечением ее монолитности);
- новые эксплуатационные возможности (например, создание компактных, надежных, дешевых частотных преобразователей на базе нового класса IGBT транзисторов. Известно, что последнее значительно расширило области возможного использования асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым (КЗ) ротором, в качестве приводов с частотным управлением).
Использование асинхронных машин (АД) с медной обмоткой ротора, перспективно и в двигательном, и в генераторном режимах. Нарастание экологических проблем, сокращение запасов органического топлива привело к активному развитию энергетики от возобновляемых источников энергии, в частности, ветроэнергетики, которая является наиболее перспективным направлением развития нетрадиционной энергетики в Украине. Проведенные нами исследования, [1-4], показали, что для комплектации ветроэнергетических установок (ВЭУ) в диапазоне мощностей от 20 кВт до 200 кВт рентабельно использовать именно асинхронные генераторы. Актуально проведение работ по достижению в них большего значения КПД, что может быть достигнуто за счет использования в конструкции роторов медной короткозамкнутой обмотки.
Однако, если использование асинхронных генераторов с литой медной обмоткой ротора (ЛМОР), вместо литой алюминиевой (ЛАОР), не вызывает никаких проблем, то использование двигателей с ЛМОР требует дополнительных исследований, особенно в плане обеспечения допустимых пусковых характеристик.
Основная часть
Известно, что АД в момент пуска имеют две проблемы: меньший, чем номинальный, пусковой момент и большой пусковой ток, который может превышать номинальное значение тока в 5-8 раз. Также известно, что увеличение активного сопротивления обмотки ротора в момент пуска позволяет улучшить пусковые характеристики. Если не учитывать эти особенности и не вносить особые решения в конструкцию ротора (глубокий паз для реализации скин-эффекта), то плохие пусковые характеристики могут значительно усложнить возможность использования АД в электроприводах. В современных АД эта проблема фактически решена, но решена для АД с ЛАОР.
Для АД низкого напряжения уже с 1999 года действуют европейские правила, регламентирующие показатели энергетической эффективности. Согласно этим требованиям АД классифицируются по трем категориям: низкая, средняя и высокая. Эти соглашения, основанные на принципах энергосбережения и экологических требованиях, связанных с ужесточением современных требований к охране окружающей среды (IS0 14001 standard), требуют создания новых серий высокоэффективных двигателей. Средством достижения этой цели может быть применение новых современных материалов и инновационных технологий.
В соответствии с принятой ЕС и США (федеральный закон «Эраст») классификацией, значительная часть выпускаемых в Украине АД относится к низкому классу энергетической эффективности EFF3 и уступает по массогабаритным показателям аналогам дальнего зарубежья. Такое положение снижает экспортные возможности Украины и конкурентоспособность на внешнем рынке. Необходимо добиваться для отечественных двигателей повышения коэффициента полезного действия (КПД).
На сегодняшний день можно выделить четыре основных направления развития технологий повышения энергоэффективности за счет минимизации потерь в асинхронных электроприводах, установленных в производстве [ 1]:
1) на этапе подготовки производства следует проводить подбор оборудования с минимальным запасом по мощности, то есть с номинальной мощностью, соответствующей расчетной мощности реализованных технологических процессов;
2) снижение потерь электрической энергии при ее преобразовании в механическую;
3) рациональное распределение реактивной составляющей потребляемой электрической энергии [2];
4) повышение эффективности использования электроэнергии посредством создания эффективных систем управления питания электроустановок, использования новых материалов (электротехнических сталей, проводниковых и изоляционных материалов) и технологий.
Во всем мире для повышения КПД асинхронных двигателей сейчас используют замену материала «беличьей клетки»: алюминия на медь. Исследования, проведенные в США, Франции, Италии, Германии, Польше, Бразилии, Индии и Кореи показали, что применение в АД ЛМОР вместо ЛАОР в значительной степени решает проблемы энергоресурсосбережения. В США реализован проект стоимостью в 2 млн. долларов с целью исследования возможности использования ЛМОР для АД. Было определено, что использование меди приводит к уменьшению потерь в АД, позволяет выполнить его более компактным: уменьшить длину сердечника статора и ротора в АД открытого исполнения на 7,2%, закрытого - на 20% при увеличении КПД на 1,0-3,0%, [1]. Сокращение длины машины позволяет уменьшить расход меди, электротехнической стали и изоляционных материалов, сократить трудоемкость изготовления.
В США работа по внедрению ЛМОР начата в 1997 году Ассоциацией по развитию медных технологий. Для достижения цели Ассоциация объединила усилия экспертов и разработчиков 17 стран мира [2]. Долгое время оставалась нерешенной проблема обеспечения устойчивости литейных форм к эрозии от расплава меди. Промышленное производство рентабельных литейных форм в США для изготовления ЛМОР для АД позволило уже с 2002 года серийно изготавливать АД мощностью от 3 до 200 кВт с повышенным КПД на 1,2-3,2 % [3]. Германская фирма SEW-Evrodrive с 2003 года поставляет на мировой рынок АД мощностью от 1,1 до 37 кВт, в которых обмотка ротора выполнена из меди литием под давлением. Такие двигатели имеют КПД 94-96 %, что значительно выше норм США («Эраст») и стран ЕС (Premium Efficiency), [4]. Аналогичные исследования велись и в других странах, и, начиная с 2004 г., начат серийный выпуск АД с ЛМОР в Италии и Франции, в Бразилии (фирма WEG), в Индии (фирма Coimbatore Tamil Nadu) и в других странах.
Анализ данных исследований подтвердил, что в случае использования для двигателей с ЛМОР машин, имеющих такие же конструктивные геометрические размеры, как АД с алюминиевой обмоткой, возможно повышение мощности в 1,3-1,7 раза, КПД - на 1,5-3,0 %, перегрузочной способности - в 1,4-1,7 раза, показателей надежности - в 1,5-2,5 раза.
Положительные аспекты использования меди для КЗ роторов очевидны, но необходимо вести оценку влияния изменения материала обмотки на характеристики АД, и, в первую очередь, на пусковые. Для АД с алюминиевой обмоткой вопросы улучшения пусковых характеристик практически решены выбором формы паза ротора, т. е. за счет использования
явления вытеснения тока. Но замена А1 в «беличьей клетке» на Си, имеющей меньшее удельное сопротивление, требует поиска новых решений для обеспечения допустимых пусковых характеристик, т.к. удельное сопротивление Си при температуре 9а = 20 °С значительно меньше, чем удельное сопротивление А1 (рСи = 0,0175 Оммм2/м, рА1 = 0,028 Оммм2/м).
Для поиска решений необходимо определить конечную цель исследования. Например, пусть стоит задача так спроектировать АД с ЛМОР, чтобы его пусковые характеристики были такими же, как и серийных АД с ЛАОР. Понимая, что при проектировании серийных машин с ЛАОР нужные пусковых характеристики достигалась геометрией (в основном, глубиной) паза ротора, варьирование пусковых характеристик АД с ЛМОР проводим, изменяя глубину паза ротора. При этом необходимо сохранить требования технологического процесса: проведение надежной штамповки листов шихтованного сердечника ротора возможно при значении меньшего радиуса паза гг2 > 1 мм. Проведем анализ на примере серийного шестиполюсного АД с КЗ ротором мощностью 1,5 кВт, с глубиной паза ротора кт = 19 мм. На рис. 1 приведен эскиз зубцовой зоны ротора, на рис.2 - пусковые характеристики (зависимость тока ротора от скольжения /Т = /(Б)) для АД с ЛАОР и с ЛМОР.
Рис. 1. Эскиз зубцовой зоны
ротора АД мощностью 1,5 кВт с ЛАОР
Рис. 2. Зависимость тока ротора от скольжения для АД мощностью 1,5 кВт с ЛАОР и с ЛМОР
Анализ характеристик позволяет отметить, что превышение пускового тока возросло от 5,6 в АД с ЛАОР до 6,3 в АД с ЛМОР.
На рис. 3 приведены пусковые механические характеристики: зависимость момента ротора от скольжения М = /(Б) для АД с ЛАОР и с ЛМОР. Анализ этих характеристик показывает, что при использовании медной «клетки» практически в 2 раза уменьшается пусковой момент. Он становится меньше номинального, что делает невозможным прямой пуск АД с ЛМОР с номинальной нагрузкой. Расчет параметров АД мощностью 1,5 кВт с ЛАОР и с ЛМОР представлен в табл. 1. В табл. 2 приведены данные по перегрузочной способности АД (км), указаны «броски» пускового тока (к^), относительное значение пускового момента по сравнению с номинальным моментом (кМБ):
1 _ М г тах • 1 _ /г*ХагХ • ^ — М стИ
кМ — ^ ' ка/ —~/-' к*М - д ,
М тМ //м МгМ
Рис. 3. Зависимость момента ротора от скольжения для АД мощностью 1,5 кВт с ЛАОР и с ЛМОР
Таблица 1
Некоторые данные АД мощностью 1,5 кВт с ЛАОР и с ЛМОР
№ hr, мм Sr, 2 мм ^ro10"5, OM Isi, A MrN, Им Moni, И-м Пм , o.e. Mrsiari, И'м
AI Cu AI Cu AI Cu AI Cu AI Cu AI Cu
1 24 72 5,92 2,8 16,9 18,9 15 14,6 28,2 29 0,76 0,79 22,5 12,5
2 23 54,4 7,83 3,71 15,9 18,4 15,2 14,7 28,4 29,2 0,76 0,79 26,3 15,8
3 22 47,3 9,01 4,27 15,4 18,3 15,4 14,8 28,9 29,8 0,75 0,78 29,3 18,6
4 19 34,4 12,4 5,87 14,1 17,7 16 15 29,6 30,5 0,72 0,77 34 24,3
Таблица 2
Значения относительных коэффициентов, рассчитанных для АД _мощностью 1,5 кВт с ЛАОР и с ЛМОР_
№ Глубина паза, hr, мм км ksi к n-sm
AI Cu AI Cu AI Cu
1 24 1,88 2 5,6 6,3 1,25 1,36
2 23 1,86 2 4,9 5,7 1,73 1,3
3 22 1,88 2,02 3,8 4,7 1,9 1,1
4 19 1,85 2,04 3,4 4,5 2,1 0,83
Расчеты проводились для двигателя с медной и алюминиевой «клетками» и с измененной глубиной паза (Иг). Результаты показали, что при сохранении мощности АД и габаритов:
- номинальный момент (Мгм) несколько уменьшается:
- максимальный момент (Ысги), а, следовательно, и перегрузочная способность машины, увеличиваются;
- на 3-5 % увеличивается КПД двигателя
- в 1,5-1,8 раз уменьшается пусковой момент АД (Ы™шгг).
При уменьшении глубины паза пусковой момент увеличивается и уже при глубине на 3 мм больше (15 %) значение пускового момента в 1,1 выше номинального момента и возможен прямой пуск. В этом варианте сохраняется значение КПД = 0,79, табл. 1), несколько снижается «бросок» пускового тока.
На рис. 4 приведено сравнение изменения токов ротора (пусковая характеристика) АД мощностью 1,5 кВт с ЛАОР и с ЛМОР для двух высот паза ротора: 19 мм и 22 мм (обозначено, как «измененный паз», рис. 5).
Рис. 4. Зависимость тока ротора от скольжения для АД мощностью 1,5 кВт с ЛАОР и с ЛМОР для двух глубин паза ротора: 19 мм и 22 мм («измененный паз»)
Рис. 5. «Измененный паз» ротора (к = 22 мм)
На рис. 6 приведено сравнение изменения моментов ротора (пусковая характеристика) АД мощностью 1,5 кВт с ЛАОР и с ЛМОР для двух высот паза ротора: 19 мм и 22 мм (см. рис. 1 и рис. 5).
Дальнейшее углубление паза приводит к улучшению пусковых характеристик, но потребует значительного уменьшения радиусов паза ротора и усложнения штамповочного оборудования. При постановке задачи обеспечения возможности прямого пуска двигателя (№плаг> мгы) достаточным является углубление паза при замене алюминия на медь на 15 %.
Для принятия окончательного решения об изменении геометрии зубцовой зоны ротора (увеличения глубины паза на 15 %) проанализируем энергетические характеристики АД с ЛАОР и с ЛМОР для двух высот паза ротора: 19 мм и 22 мм («измененный паз») по построенным рабочим характеристикам, рис. 7 и рис. 8. На рис. 8 символом «Си» обозначены характеристики АД с медной обмоткой ротора (ЛМОР) с глубиной паза 19 мм, значком «"» обозначены характеристики для того же АД с глубиной паза 22 мм.
Анализ рабочих характеристик подтверждает, что увеличение глубины паза ротора на 15 % при замене алюминиевой обмотки ротора на медную, не ухудшает энергетические параметры машины (п и еоБф). Поэтому можно считать, что такое изменение является достаточным для обеспечения работоспособности двигателя.
Выводы
1. Применение в АД ЛМОР, вместо ЛАОР, соответствует требованиям общемировой политики энергоресурсосбережения: КПД двигателей увеличивается на 3 - 5%. Учитывая нарастающее распространение в качестве регулируемого электропривода АД, замена алюминиевой обмотки ротора на медную является существенным шагом в обеспечении технико-экономической рентабельности организации производства.
2. Замена А1 в «беличьей клетке» на Си, имеющей меньшее удельное активное сопротивление, требует поиска решений обеспечения допустимых пусковых характеристик.
3. Для обеспечения пусковых характеристик АД с медной «клеткой» на уровне таких же показателей, которые были у АД с алюминиевой клеткой, достаточно углубить паз ротора в среднем на 15 %, что приведет к усилению влияния эффекта вытеснения тока.
измененный паз
Рис. 8. Рабочие характеристики АД мощностью 1,5 кВт с ЛМОР для двух высот паза ротора: 19 мм и 22 мм
Рис. 6.
Г| СПБСр
6.0.' о.Е.
0,8 г
Зависимость момента ротора от скольжения для АД мощностью 1,5 кВт с ЛАОР и с ЛМОР для двух высот паза ротора:
19 мм и 22 мм (обозначено, как «измененный паз»)
103 Вт
103 Вт
-3,0
М*, о.е.
2,0
Алюминий
измененный паз)
016-
0.5-
0
о
о
Рис. 7. Рабочие характеристики АД мощностью 1,5 кВт с ЛАОР и с ЛМОР для высоты паза ротора 19 мм
ш
X
го тз
й ч £
а
Результаты получены при выполнении условия незначительное изменение штамповочного оборудования, допустимое влияние на технологию штамповки, т.к. не требует значительного уменьшения радиусов пазов ротора, (см. рис. 1 и рис. 5).
Список использованной литературы:
1. Шевченко В. В., Книш С.Ю., Занихайло Е.О. Еконо]шчне порiвняння вироенергетичних установок з рiзними типами електричних генераторiв змшного струму // Системи обробки шформацд. Збiрник наукових праць. Харшвський унiверситет повиряних сил. - Харк1в. - 2011. - № 4 (94). - С. 94-98.
2. Шевченко В. В. Оценка технической и экологической перспективы развития энергетики Украины // Яшсть технологш та освгга. Збiрник наукових праць. - Вип. 2. - Харьков, 2011. - С. 19-25
3. Шевченко В. В., Кулиш Я. Р. Анализ возможности использования разных типов генераторов для ветроэнергетических установок с учетом диапазона мощности // Вюник НТУ «ХПИ». - № 65. - 2013. -
С. 107-117.
4. Горюшкин Н. И., Шевченко В. В. Влияние форм лопастей на энергетические параметры ветроэнергетических установок // 1нформацшш технологи: наука, техшка, технология, освгга, здоров'я: Збiрник праць XXII м1жнародно! науково-практично! конференци, Ч.11 (15-17 жовтня 2014 р.). - Харшв, НТУ «ХП1». - 350 с. - С. 160.
References:
1. Shevchenko V. V., Knish S. Y., Zanihaylo E. O. Economic comparison of wind turbines with different types of electrical alternators [Ekonomichne porivnyannya vitroenergetichnih installations s riznimi types elektrichnih generatoriv zminnogo Strumu] // Information processing systems. The digest of scientific works. Kharkov Air Force University. -Kharkov. - 2011. - № 4 (94). - P. 94-98.
2. Shevchenko V. V. The Assessment of the technical and environmental perspectives of energy development in Ukraine [Ocenka tehnicheskoj i jekologicheskoj perspektivy razvitija jenergetiki Ukrainy] // The quality of technology and education. The digest of scientific works. - Edition 2. - Kharkov, 2011 - P. 19-25.
3. Shevchenko V. V., Kulish Y. R. The possibility analysis of using different types of generators for wind turbines with the power range [Analiz vozmozhnosti ispol'zovanija raznyh tipov generatorov dlja vetrojenergeticheskih ustanovok s uchetom diapazona moshhnosti] // Bulletin of NTU "KPI". - № 65. - 2013. - P. 107-117.
4. Goryushkin N. I., Shevchenko V. V. The influence of the blades shapes on the wind turbines energy parameters [Vlijanie form lopastej na jenergeticheskie parametry vetrojenergeticheskih ustanovok] // Information technology, science, engineering, technology, education, health: Collection of works of the XXII International Scientific Conference. - Part II. - (2014, October, 15-17) - Kharkov, NTU "HPI" . - P. 160
Поступила в редакцию 04.11 2014 г.
