книги / Моделирование переходных процессов в полюсопереключаемых асинхронных двигателях
..pdfнулю, показана на рис. 21, в. Полюса переключаются при со, = 76,6 С '1. Время и потери энергии при 2р — 6 составили соответственно 0,11 с и 184 Дж. В целом пуск произошел за 0,295 с при потерях 821 Дж.
Стремление уменьшить до минимума время паузы может привести к одновременному подключению к сети по обоим числам полюсов. Такой режим должен анали зироваться с учетом присущих ему особенностей. По
скольку в этом случае токи всех ветвей статора неза висимы, нет необходимости корректировать систему уравнений электрического равновесия с помощью мат риц [к*], [к„] (табл. Г, п. 10).
Расчетные динамические механические характерис тики переходного процесса подключения питания к вы водам А в, B Q, С0 без отключения его от выводов Л8, Вв, С8 приведены на рис. 22. После завершения разгона с 2р ~ 8 до <аг — 76,6 с-"1 подключается питание к вы водам второго числа полюсов. Сразу после подключения наблюдается значительный отрицательный бросок элект ромагнитного момента, превосходящий номинальный момент в 10 раз. Данный бросок обусловлен преимущест венно рабочей (четвертой) гармоникой МДС. Коэффи циент насыщения магнитной цепи по этой гармонике в момент броска достигает 4,74.
График электромагнитного момента, показанный на рис. 22, рассчитан без учета влияния нелинейности элект рических параметров на запас магнитной коэнергии,
поскольку насыщение магнитной цепи преимущественно невелико и погрешность незначительна. Однако во время отрицательного броска электромагнитного момента его величина нуждается в уточнении. Предположим, что погрешность в результате пренебрежения влиянием нелинейности электромагнитных параметров на магнит ную коэнергию при определении электромагнитного момента зависит от коэффициента насыщения магнитной цепи так же, как на рис. 6 и 7. В этом случае при к^ = = 4,74 погрешность составляет 35 %. Уточненное зна чение броска электромагнитного момента будет равно 140 Н • м.
Из-за возможности значительных бросков электро магнитного момента рассмотренный режим подключе ния питания по новому числу полюсов без отключения его по прежнему числу является аварийным.
После завершения переходного процесса, сопровож дающего подключение питания к зажимам А 0, В а, Са без отключения его от Лй, В 8, С8, двигатель работает с частотой вращения ротора 82,6 с—1, т. е. суммируются механические характеристики для обоих чисел полюсов.
Для сравнения двухступенчатого пуска с одноступен чатым рассмотрим рис. 23, 24. На них в функции часто ты вращения ротора, при которой происходит переклю чение, построены зависимости длительности переходного процесса и выделяющейся энергии. На рис. 23 обозначе
ны |
длительности: |
tQ.п — одноступенчатого |
пуска |
при |
2р |
= 6; tA.n (tn = |
0,08) — двухступенчатого |
пуска |
при |
наличии паузы продолжительностью 0,08 с; /д.п (/„ = 0 ) —
двухступенчатого |
пуска |
без |
паузы; |
t8 — разгона |
при |
|||
2р = |
8; |
(/п = |
0,08) — разгона при |
2/7 = 6 после па |
||||
узы |
длительностью 0,08 |
с; |
tQ(t„ = |
0) |
— разгона |
при |
||
2/7 = |
6 |
при отсутствии паузы. Кривая |
—А, (tn = |
0,08) |
обозначает превышение времени двухступенчатого пус ка над временем одноступенчатого пуска при паузе дли тельностью 0,08 с, %, кривая At (tn = 0) — сокращение времени двухступенчатого пуска без паузы по сравнению с одноступенчатым, %. На рис. 24 обозначены: W — кривые потерь энергии, выделяющейся в переходных режимах; Aw — экономия энергии при двухступенчатом
пуске по сравнению с одноступенчатым, %; Wn |
(t„ = |
= 0,08) — потери энергии за время паузы, |
равное |
0,08 с. Расшифровка индексов аналогична рис. 23. Анализ рис. 23,24 показывает, что с увеличением час
тоты вращения, при которой переключаются полюса, длительность двухступенчатого пуска растет, а поте[И
Рис. 23. Временные характернстики режима двухступенчатого пус* ка двигателя 4АЮ0Л8/6УЗ.
Рис. 24. |
Энергетические характеристики режима двухступенчато |
го пуска |
двигателя 4А100£8/6УЗ. |
энергии уменьшаются. Наиболее экономичным оказы вается двухступенчатый пуск при отсутствии паузы с переключением при наибольшей частоте вращения ротора' В этом случае потери энергии на 28 % меньше по сравне нию с одноступенчатым пуском, а время разгона со храняется примерно то же. Уменьшение времени пуска наблюдается при отсутствии паузы и уменьшении час тоты вращения ротора, при которой переключаются полюса. При соЛ= 70,7 с-1 —А* «= 7,7 %. С увеличе нием времени паузы уменьшается целесообразность замены прямого пуска при 2р = б двухступенчатым. Так, например, увеличение tn с нуля до 0,08 с умень шает сокращение потерь энергии в два раза — с 28 % до 14 %.
3. Двухступенчатый асинхронный пуск синхронного двигателя большой мощности
Надежность работы ряда технологических установок в значительной мере определяется надежностью двигателей в пусковых режимах, например на надежность работы газоперекачивающих станций магистральных газопро водов существенно влияет надежность двигателей ком-
Рис. 25. Схема соединения ветвей односкорост ной обмотки.
прессоров, часто выходящих из строя в результате пере грева роторов в пусковых режимах.
Замена прямого пуска двигателя ступенчатым пуском с помощью полюсопереключаемой обмотки статора поз воляет уменьшить пусковые потери в двигателе. В дан ном параграфе на основании математического модели рования проводится оценка замены прямого пуска син хронного двигателя мощностью 12500 кВт двухступен чатым пуском с помощью полюсопереключаемой обмотки на отношение чисел полюсов 4/2, с точки, зрения эффек тивности снижения пусковых потерь.
Асинхронный пуск исследован для двигателя со сле дующими параметрами, см: величина воздушного за
зора — 2,5; радиус расточки статора — 33; длина паке та статора — 180; длина пакета ротора — 220; высота спинки статора — 17; высота спинки ротора — 15; вы сота зубца статора — 9; высота зубца ротора — 15; ширина паза статора — 2; число зубцов статора — 48; ротора — 32. Напряжение сети — 10000 В. Индуктив ность внешней цепи — 0,00223 Гн. Обмотка статора двухслойная, выполнена с шагом 20, число витков в сек ции — 2. Схема соединения ветвей обмотки с указанием их номеров, номеров секций по ветвям и выбранных по ложительных направлений токов показана на рис. 25. Независимыми приняты токи в 1-й и 2-й ветвях, матрицы
[KJ, [KJ , [к*Вц], [кщщ], [ис] соответствуют |
матрицам |
табл. 1 (п. 1). |
поскольку |
При исследовании асинхронного пуска, |
обмотка возбуждения ротора замкнута на балластное сопротивление и практически не влияет на пусковые про цессы, синхронный двигатель эквивалентирован асин хронным. Статор остается без изменений, а параметры ротора приняты такими, чтобы статические механиче ская и токовая характеристики соответствовали реаль ным. Расчетные механическая и токовая характеристи ки, а также зависимость момента нагрузки от частоты вра щения ротора, исполь зуемая при анализе переходных режимов, приведены на рис. 26.
Для осуществле ния двухступенчатого пуска рассмотрен ва риант применения по люсопереключаемой
обмотки со |
схемой |
у / у у . |
Обмотка |
двухслойная, |
состоит |
из 6 ветвей. |
Число |
витков в секции — 4. При 2/; = 4 ветви сое динены по схеме «звез да» (рис. 27, а). Ма трицы [к*], [KJ , [K/вц],
Рис. 26. Механическая, токовая расчетные харак теристики и зависимость момента нагрузки от час тоты вращения ротора.
[кцвц1, luc] соответствуют матрицам табл. 1 (п. 1). Для создания двухполюсного магнитного поля вершины «звез ды» отключают от сети и соединяют с нулевой точкой. К сети подключают вершины образовавшейся «двойной
звезды» с изменением чередования фаз (рис. 27, б). |
Чис |
|||
ло независимых токов — 5, матрицы |
[ K J , |
[ки], |
[ к *Вц ],. |
|
1кивц], |
аналогичны матрицам табл. |
1 |
(п. 3). |
|
Спектр гармоник МДС, подлежащих'учету при анали зе переходных процессов в двигателе с обмоткой у/уу, выбирается по результатам расчета пусковых моментов.
Оказалось, что |
необходимо |
учитывать |
гармоники |
МДС с порядками: |
v = 1; 2; 4; |
8. Значения |
пусковых |
моментов по прямому полю (MJ), обратному (MJ), сум марного пускового (МП) и критического (Мк) моментов при различных шагах обмотки сведены в табл. 4. В табл. 5 даны значения коэффициентов укорочения при изменении шага. Уменьшение шага обмотки позволяет
добиться |
повышения пускового |
момента. |
|
|
Режим двухступенчатого пуска, состоящий из трех |
||||
этапов, |
рассчитывается с учетом гармоник v = |
I; |
2; |
|
4; 8. На первом этапе исследуется пуск при схеме у , |
на |
|||
втором — пауза, возникающая |
при изменении |
схемы |
соединения ветвей обмотки и определяемая временем срабатывания коммутационной аппаратуры. Длитель ность паузы равна 0,06 с. Токи статора отсутствуют, ро тор тормозится под действием момента сопротивления. Третий этап начинается после подключения питания к вершинам «двойной звезды». Начальные условия каж дого последующего этапа — значения токов и частоты вращения в конце предыдущего этапа. Переходный про-
ки при 2р = 4 (а), 2р = 2 (б).
У V Н м M j-io*. Н м
20 |
1 |
0/4,37 |
0 /— 0,0007 |
|
|
2 |
2,95/0,004 |
0 /— 0,006 |
|
|
4 |
0/0,002 |
— 1,95/— 0,005 |
|
|
8 |
0,142/0,0009 |
0 /— 0,0005 |
|
19 |
1 |
0/4,69 |
0 /— 0,0008 |
|
|
2 |
3,19/0,005 |
0 /— 0,008 |
|
|
4 |
0/0,004 |
— 1,77/— 0,008 |
|
|
8 |
0,0136/0,0003 |
0 |
/— 0,0002 |
18 |
1 |
0/5,01 |
0 |
/— 0,0008 |
|
2 |
3,32/0,005 |
0 |
/— 0,0009 |
|
4 |
0/0,005 |
1,45/— 0,0009 |
|
|
8 |
0/0 |
0/0 |
|
17 |
1 |
0/5,32 |
0 |
/— 0,0007 |
|
2 |
3,38/0,006 |
0/— 0,01 |
|
|
4 |
0/0,006 |
— 1,09/— 0,011 |
|
|
8 |
0,0192/0,0004 |
0 |
/— 0,0003 |
П р и м е ч а н и е . |
Перед косой даны значения для |
схемы Y (2р = 4), после ко* |
цесс третьего этапа зависит от фазы повторно включен ного напряжения, изменяющейся от 0 до 6,28 рад.
В табл. 6 сведены результаты расчета пускового ре жима двигателя при односкоростной обмотке и полюсо
переключаемой обмотке |
у / у у |
на соотношение чисел |
||||||
Т а б л и ц а |
5. Коэффициент укорочения шага |
обмотки статора |
|
|||||
|
|
|
|
У |
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 7 |
1 8 |
1 9 |
2 0 |
21 |
2 2 |
2 3 |
2 4 |
1 |
0,897 |
0,924 |
0,947 |
0,966 |
0,981 |
0,99 |
0,998 |
1 |
2 |
0,793 |
0,707 |
0,609 |
0,5 |
0,383 |
0,259 |
0,131 |
0 |
4 |
— 0,966 |
— 1 |
— 0,966 |
— 0,866 |
— 0,707 |
— 0,5 |
— 0,251 |
0 |
8 |
0,5 |
0 |
0,5 |
— 0,866 |
— 1 |
— 0,866 |
—0,5 |
0 |
полюсов 4/2. Расчеты проведены при нескольких значе ниях шага обмотки. Для каждого этапа даны время пере ходного процесса, частота вращения ротора и потери в конце этапа. Счет завершался при достижении частоты вращения ротора о>, = 299 с-1. Суммарные значения вре мени и потерь энергии двухступенчатого пуска приведе ны в абсолютных величинах и в процентах от значений
односкоростного пуска G рассматриваемым шагом
М -ИИ. Н м |
М){.|0», н •м |
и шагом 20. |
|
|
|
|
|||
|
|
Таким |
образом, |
ис |
|||||
1,142/4,385 |
3,259/4,932 |
пользование |
|
двухско |
|||||
ростной обмотки с отно |
|||||||||
|
|
||||||||
|
|
шением |
чисел |
|
полюсов |
||||
|
|
4/2 для |
двухступенчато |
||||||
1,456/4,687 |
3,118/5,204 |
го пуска |
в |
рассматри |
|||||
|
|
ваемом |
случае |
может |
|||||
|
|
обеспечить |
|
уменьшение |
|||||
|
|
на 13—18 % пусковых |
|||||||
1,865/5,1 |
3,048/5,51 |
потерь, |
зависящих |
от |
|||||
|
|
фазы включаемого |
на |
||||||
|
|
пряжения |
при |
переходе |
|||||
2,309/5,315 |
2,966/5,852 |
с большего |
на меньшее |
||||||
число |
полюсов. |
Выбор |
|||||||
|
|
||||||||
|
|
оптимального |
|
момента |
|||||
|
|
переключения |
|
полюсов |
|||||
|
|
можно реализовать с по |
|||||||
сой — для схемы Y Y |
(2р = 2). |
мощью специальной схе |
|||||||
|
|
мы управления |
|
пуском |
двигателя путем контроля фазы ЭДС, наводимой в обмот ках статора потоком незатухшего магнитного поля боль шего числа полюсов. Номинальная мощность, параметры и характеристики двигателя с обмоткой у/уу на высшей скорости практически не отличаются от соответствую щих двигателю с односкоростной обмоткой, выполненной с тем же шагом. Рациональный выбор значения шага полюсопереключаемой обмотки по пазам статора по зволяет уменьшить пусковые потери за счет подавле
ния высших гармоник (при |
шаге 17 |
пусковые поте |
ри в сравнении с серийной |
машиной |
снижаются на |
30—36 %).
Как видно из рассмотренных примеров формиро вания переходных режимов, математическое модели рование позволяет разрабатывать рекомендации, вне дрение которых, существенно повышает технико-эко номические характеристики приводов. Кроме того, ма тематическое моделирование переходных процессов дает возможность повысить технический уровень асин хронных двигателей и их модификаций путем проекти рования с учетом переходных режимов. В настоящее время электродвигатели изготовляются массовыми се риями, что позволяет наладить их производство с ми нимальными затратами, но препятствует созданию оп-
|
|
1-й этап |
2-й этап |
З-й |
этап |
|
Двигатель |
У |
С |
^м* |
Рм‘ МДЖ |
и С |
Рм, МДж |
|
|
|||||
|
|
М Д ж |
|
|||
Односкорост- |
16 |
_ _ _ |
- L , |
|
6,23 |
42,2 |
НОЙ |
17 |
•— |
— |
— |
6,69 |
42,3 |
|
18 |
— |
— |
— |
7,16 |
42,5 |
|
19 |
7,82 |
43,1 |
|||
|
— |
— |
— . |
|||
|
20 |
8,68 |
44,3 |
|||
|
— |
— |
— |
|||
|
21 |
— |
— |
— |
9,75 |
45,3 |
|
22 |
— |
— |
— |
11,2 |
46,5 |
Полюсо-пе- |
17 |
3,5 |
12,2 |
0,013 |
3,93 |
16,1 |
реключаемый |
4,15 |
18,6 |
||||
|
|
|
|
|
||
|
18 |
3,42 |
12,7 |
0,017 |
4,07 |
15,8 |
|
4,32' |
18,2 |
||||
|
|
|
|
|
||
|
19 |
3,68 |
15,1 |
0,024 |
4,55 |
16,4 |
|
4,78 |
18,7 |
||||
|
|
|
|
|
||
|
20 |
4,22 |
18,6 |
0,032 |
5,54 |
17,9 |
|
5,78 |
20 |
||||
|
|
|
|
|
||
П р и м е ч а н и е. |
В конце первого |
этапа |
в>г = 151 о- |
в конце |
второго <ар |
лее благоприятной фазе переключения, под чертой — при наименее благопрц
тимальных условий электромеханического преобразо вания энергии при эксплуатации, поскольку невозмож но максимально учесть все особенности конкретного технологического процесса, особенно в переходных ре жимах.
Переход к выпуску двигателей более мелкими се риями и их проектирование для конкретных механиз мов с учетом переходных процессов даст возможность ограничить динамические перенапряжения в кинема тических звеньях технологического оборудования, уменьшающие эксплуатационную надежность, снизить тепловые перегрузки в элементах двигателя, повысить производительность механизмов, а также улучшить условия труда путем уменьшения виброакустических эффектов. Особенно важен учет переходных процессов при проектировании полюсопереключаемых двигате лей вследствие специфики режимов переключения по люсов и их существенного влияния на технико-эконо мические показатели, выбор схем переключения по-