Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в э

Зависимость электромагнитной мощности и максимального момента от коэффициента модуляции m при S = Sm приведена на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость электромагнитной мощности и максимального момента от коэффициента модуляции m при S = Sm

141

Из рис. 4 видно, что с увеличением амплитуды модуляции напряжения электромагнитная мощность и максимальный момент уменьшаются, и при m = 1

Pэм max = 3P8эм ,

Mmax max = 3M8 м .

На рис. 5 приведены экспериментальные нагрузочные характеристики асинхронного короткозамкнутого двигателя, работающего от преобразователя, имеющего выходную частоту 400 Гц с амплитудной модуляцией частотой 50 Гц и коэффициентами модуляции 0,45 и 0. Пульсация выходного напряжения преобразователя вызывает низкочастотную пульсацию магнитного потока и, следовательно, мгновенного момента, скорости вращения. В зависимости от амплитуды пульсации (коэффициента модуляции) напряжения изменяются выходные параметры электродвигателя, мощность, критический момент, скольжение, и требуются специальные меры, обеспечивающиезаданныевыходныепараметрыдвигателя.

Рис. 5. Экспериментальные нагрузочные характеристики асинхронного короткозамкнутого двигателя, работающего от преобразователя, имеющего выходную частоту 400 Гц с амплитудной модуляцией частотой 50 Гц и коэффициентами модуляции 0,45 и 0:

кривая 1 при m = 0, U = 110 B; кривая 2 при m = 0, U = 100 B; кривая 3 при m = 1, U = 110 B; кривая 1 при m = 1, U = 100 B

142

Учет влияния пульсации выходного напряжения преобразователя на этапе проектирования питаемого двигателя можно выполнить, увеличивая максимальную индукцию в зазоре на величину

Список литературы

1.Атабеков Г.И. Основы теории цепей. – М.: Энергия, 1969.

2.Булгаков А.А. Частотное управление электродвигателя-

ми. – М.: Наука, 1966.

3.Костенко М.П. Пиотровский Л.М. Электрические маши-

ны. Ч. 2. – Л.: Энергия, 1973.

4.Рогинский В.Ю. Расчет устройств электропитания аппаратуры электросвязи. – М.: Связь, 1972.

5.Вентильная электрическая машина: а.с. № 1141525 / Старцев А.П., Шулаков Н.В., Юрин А.С.; опубл. 23.02.85, бюл. № 7.2.

6.Вентильная электрическая машина: а.с. № 1749988 / Старцев А.П.; опубл. 23.07.92, бюл. № 27.

7.Старцев А.П. Высокочастотный преобразователь частоты

снепосредственной связью // Энергосистема: управление, качество, безопасность: сб. докл. всерос. науч.-техн. конф. – Екатеринбург: Изд-во УГТУ–УПИ, 2001.

8.Тиристоные преобразователи частоты в электроприводе / под ред. Р.С. Сарбатова. – М.: Энергия, 1980.

Сведения об авторе

Старцев Александр Павлович – кандидат технических наук, директор ООО «Сервисный центр «Контакт» (г. Пермь), e-mail: sckontact@bk.ru.

143

А.М. Зюзев, В.П. Метельков, Д.П. Степанюк, М.В. Бубнов

Энергетический институт (УралЭНИН) Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ТПН-АД В СРЕДЕ ANSYS

Представлены результатыисследованияэнергетическихпоказателейсистемы «тиристорный преобразователь напряжения– асинхронный двигатель» (ТПН-АД) в среде ANSYS. Подтверждена эффективность использования совместно с устройствами плавного пуска фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ), атакже изложенаметодикаоценкитепловогосостояниядвигателявсредеANSYS.

Ключевые слова: модель; ТПН-АД, фильтрокомпенсирующее устройство, нагрев двигателя, ANSYS.

A.M. Ziuzev, V.P. Metelkov, D.P. Stepanyuk, M.V. Bubnov

Ural Power Engineering Institute Ural Federal University the first President of Russia B.N. Yeltsin, Ekaterinburg

THREE-PHASE, THREE-WIRE AC REGULATOR – INDUCTION MOTOR SYSTEMS SIMULATION IN ANSYS ENVIRONMENT

The paper represents results of system «3-phase 3-wire AC regulator – induction motor» energy datum research in ANSYS environment. Application of motor soft starter jointly with filter compensating device efficiency is approved, and also technique of motor thermal state estimation in ANSYS environment is stated.

Keywords: model; 3-phase 3-wire AC regulator – induction motor; filter compensating device; motor heating; ANSYS.

Введение

Гармонические искажения напряжения сети приводят к сбоям в работе систем телемеханики, связи, автоматики, росту активных потерь. Для их подавления применяются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). Для оценки эффективности применения ФКУ для систем ТПН–АД необходимо сопоставить энергетические показатели как систем с ФКУ, так и без него,

144

что позволяет осуществить инструментарий ANSYS. Кроме того, ANSYS Maxwell позволяет определять мощность потерь, выделяющихся в основных элементах двигателя. Задача состоит в том, чтобы, используя тепловую модель двигателя, по этим данным определить температуру в двигателе.

1. Модель системы ТПН–АД в среде ANSYS

Модель системы ТПН–АД выполнена в программе ANSYS Simplorer (рис. 1). В качестве модели двигателя используется блок-элемент из стандартной библиотеки, основанный на уравнениях обобщенной машины. Его основные параметры следующие: номинальная мощность PN = 550 кВт, номинальная скорость nN = 1490 об/мин, номинальный ток IN = 37 А. Параметры питающей сети: действующее линейное напряжение Uc = 10 кВ, индуктивность сети Lc = 15,6 мГн. Учет эффекта вытеснения тока при расчете активного и индуктивного сопротивлений ротора выполняется по методике, описанной в [1]. При моделировании момента статического сопротивления механизма используется нелинейное звено из [1].

Система регулирования ТПН–АД выбрана замкнутой по току, входом которой является задание на ток, потребляемый электроприводом из сети, а выходом – угол управления ТПН. В состав системы регулирования входят пропорциональноинтегральный регулятор тока, фильтр с постоянной времени Tμ = 0,01 c и звено с линейной характеристикой. Пуск двигателя

сотсечкой по току иллюстрирует диаграмма (рис. 2).

Вбиблиотеке Simplorer присутствует блок быстрого преобразования Фурье (FFT Probe), с его помощью рассчитываются амплитуды гармонических составляющих 1, 5, 7, 11, 13-го порядков, затем вычисляются значения высших гармоник относительно первой и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (рис. 3):

145

Еще один блок из библиотеки Simplorer – PWR Probe – рассчитывает величины активной и реактивной мощности (рис. 4) через напряжение и ток двигателя и сети. Задание на ток было выбрано равным трем номинальным – 154 А, чтобы просадка напряжения не превышала 10 %.

2.Анализ эффективности применения ФКУ

всистемах ТПН–АД

ФКУ представляет собой симметричную трехфазную RLC-цепь, настроенную на резонанс с определенной гармоникой таким образом, чтобы обеспечить генерацию заданной реактивной мощности (рис. 5). Выбрав реактивную мощность двигателя, потребляемую в установившемся режиме работы Q1 = 223 кВар, распределим её между фильтрами 5-й и 7-й гармоник, чтобы определить параметры конденсаторов и реакторов согласно методике, приведенной в [2].

Рис. 5. Диаграммы момента и скорости при пуске под отсечку с ФКУ

Результаты, полученные в данном разделе, подтверждают, что фильтрокомпенсирующее устройство с правильно подобранными параметрами действительно способствует подавлению высших гармонических составляющих в токах, возникающих

148

при работе преобразователя и двигателя (рис. 6). Помимо этого с помощью ФКУ удалось повысить коэффициент мощности cos φ установки за счет генерации дополнительной реактивной мощности (рис. 7). Результатом этого является рациональное потребление энергии, при том же самом токе сети двигатель вдвое быстрее выходит на установившуюся скорость.

Рис. 6. Диаграммы коэффициентов гармоник при пуске под отсечку с ФКУ

Рис. 7. Диаграммы активной и реактивной мощности при пуске под отсечку с ФКУ

149

3.Анализ теплового состояния двигателя

всистеме ТПН–АД

Одним из наиболее важных параметров при работе системы ТПН–АД является температура двигателя. Перегрев может вызвать повреждение изоляции и, как следствие, полный выход машины из строя. При пуске от ТПН перегрев весьма вероятен, если нагрузка на двигатель велика, а процесс пуска затянут, так что выделяемое тепло не успевает рассеиваться в окружающую среду. В качестве инструмента, который бы позволил определять температуру двигателя в различных режимах работы, была использована конечно-элементная модель двигателя 4A280S6У3

в ANSYS Maxwell совместно с Simplorer. Maxwell позволяет рас-

считывать потери, которые выделяются в обмотках статора и ротора и сердечнике статора и ротора. Потери в «беличьей клетке» и в стали можно определить с помощью выбора OhmicLoss (рис. 8) или CoreLoss (рис. 9) в Fields Calculator, проин-

тегрировав соответствующие потери по тому объему, в котором они выделяются. Для обмотки статора расчет проводится по формуле P = I2R: значение тока в Fields Calculator определяется через интеграл плотности тока через сечение проводника по площади этого сечения, полученное выражение возводится в квадрат и суммируется с другими по всем катушкам статора, итоговая формула умножается на сопротивление полувитка.

Для расчета температур элементов двигателя на основе мощности потерь, выделяющихся в этих элементах, была использована термодинамическая модель двигателя, собранная

вSimplorer на основе термодинамической модели, построенной

вMATLAB Simulink [3].

Результаты теплового расчета представлены на рис. 10, из которого следует, что увеличения температуры двигателя сверх допустимого в данном случае не происходит.

150