автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Анализ способов и методов снижения внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при питании широтно-импульсно модулированным напряжением

На правах рукописи

Шумилов Егор Алексеевич

АНАЛИЗ СПОСОБОВ И МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ПИТАНИИ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНО МОДУЛИРОВАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Специальность 05.09.01 — Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Самара-2013

005535831

Работа выполнена в филиале федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» в г. Сызрани.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Казаков Юрий Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Грачев Павел Юрьевич

доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» г. Самара

кандидат технических наук, доцент Певчев Владимир Павлович доцент кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет» г. Тольятти

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет (национальный исследовательский университет)

Защита диссертации состоится «22» ноября 2013 года в 13 час. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при ФГБОУВПО «СамГТУ» по адресу: г. Самара, ул. Первомайская 18, корпус №1, ауд. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 443010, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, главный корпус, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, факс: (846)2784400, e-mail: aleksbazarov@yandex.ru.

Автореферат разослан « ^ » октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.04 _ ,

доктор технических наук, доцент v^f^-i^J Базаров A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время питание асинхронных двигателей (АД) часто осуществляется от преобразователей частоты (ПЧ) с ши-ротно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения. Это обуславливает появление в напряжении и токе АД значительных высокочастотных составляющих, которые вызывают внешние электромагнитные поля (ВЭМП) повышенных частот. ВЭМП АД распространяются в пространстве, создают электромагнитное загрязнение окружающей среды, оказывают негативное влияние на оборудование и обслуживающий персонал.

ВЭМП повышенных частот являются источниками высокочастотных электромагнитных помех, которые могут приводить к сбоям в работе микропроцессорной и электронной техники, систем управления, устройств автоматики, защиты, связи. С повышением частоты воздействие ВЭМП на чувствительные элементы оборудования возрастает.

Влияние ВЭМП на человека проявляется в тормозных процессах в центральной нервной системе, головных болях, утомляемости, повышении артериального давления, учащении пульса, а после длительного воздействия и изменениями в составе крови. По Российским СНиП предельно-допустимые уровни ВЭМП снижаются с повышением частоты. Так, если предельно допустимая индукция постоянного магнитного поля при воздействии на человека в течение всей смены составляет 104 мкТл, то для частоты 50 Гц она снижается до 100 мкТл, а для частот от 10 до 30 кГц (наиболее распространенные значения несущих частот ПЧ с ШИМ напряжения) - до 62,5 мкТл.

Это делает актуальной проблему анализа перспективных способов и методов снижения ВЭМП АД с ШИМ напряжения. Значительный вклад в исследования ВЭМП электрических машин внесли Вольдек А.И., Иванов-Смоленский А.И., Каасик П.Ю., Ефименко Л.А, Андреева O.A., Уильяме Т., Армстронг К., Новокшенов B.C., Соколов С.Е., Жумангулов К.К., Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Пашали Д.Ю., Бойкова O.A., Силин Н.В. Исследования способов снижения ВЭМП проводили, Аполллонский С.М., Сотников В.В., Крылов В.А., Юченкова Т.В., Манин Б.А., Кутузова Н.Б., Марченко Е.А. Однако, в опубликованных результатах исследований не рассматривалось влияние ШИМ напряжения АД на ВЭМП, а анализ методов расчета полей и способов их снижения проведен на основе аналитических зависимостей, с принятием существенных допущений.

Таким образом, анализ методов и способов снижения ВЭМП при питании АД с ШИМ напряжением, включающий применение численных методов со снятием части существенных, принятых в предыдущих исследованиях, допущений не выполнялся и является актуальным.

Цель работы - совершенствование методов исследования внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей, питаемых широтно-импульсно модулированным напряжением, оценка эффективности способов их снижения.

Предмет исследования:

Методы и способы снижения внешнего электромагнитное ПОЛЯ АД.

Объект исследования:

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, питаемый широт-но-импульсно модулированным напряжением.

Задачи исследования:

- определение уровней высших гармоник напряжений и токов АД, питаемых от ПЧ с ШИМ напряжения, на основе гармонического анализа электромагнитных процессов АД с использованием имитационных моделей;

- разработка математических моделей ВЭМП АД на основе численных методов;

- анализ изменения ВЭМП АД при питании от ПЧ с ШИМ напряжения для разных режимов работы АД и источника;

- разработка рекомендаций по применению способов снижения ВЭМП АД и оценка их эффективности на основе разработанных математических моделей;

- экспериментальная проверка результатов теоретических исследовании

ВЭМП АД.

Методы исследования

Для решения задач выполнены теоретические исследования с использованием имитационного моделирования на основе дифференциальных уравнений и структурных схем в системе моделирования динамических процессов MatLab Simulink и метода конечных элементов для численного расчета электромагнитных полей в системах Elcut и Ansoft Maxwell. Автоматизированный расчет данных производился с использованием М-книг. Опытные результаты получены на экспериментальном стенде с использованием измерительных антенн, цифровых измерителей-регистраторов и цифровых осциллографов. Теоретические результаты также сравнивались с опытными данными, полученными в других организациях.

Научная новизна работы

1. На основе анализа известных методов, предложена методика исследования создаваемых АД при ШИМ фазных напряжений статора внешних электромагнитных полей, ориентированная на их снижение. Она включает выявление существенных для расчета этих полей гармоник напряжений и токов АД, с помощью имитационных моделей на основе схем замещения двигателей, и численное моделирование упомянутых полей для выявленных гармоник напряжений и токов.

2. Разработаны математические модели внешних электромагнитных полей, создаваемых АД при ШИМ фазных напряжений статора, на основе метода конечных элементов в трехмерной постановке, учитывающие изменение гармонического состава токов АД при изменении режимов работы. Они учитывают также конфигурацию зубцово-пазовых зон магнитопровода, корпуса и торцевых частей АД, обмоточные данные двигателя, нелинейность характе-

ристик намагничивания и вихревые токи в проводящих элементах конструкции.

3. Дана оценка эффективности способов снижения ВЭМП АД при питании широтно-импульсно модулированным напряжением, обоснованная результатами моделирования с применением разработанных математических моделей, в том числе, при трехмерном численном моделировании ВЭМП.

Практическая ценность работы

1. На основе разработанных математических моделей определены уровни ВЭМП АД, питаемых широтно-импульсно модулированным напряжением, для установившихся режимов работы АД. Показано, что для высокоисполь-зованных АД в пусковых режимах значения ВЭМП могут превосходить допустимые уровни.

2. На основе оценки эффективности снижения ВЭМП АД различными способами даны рекомендации по их применению.

3. Предложенные методика и модели расчета ВЭМП АД, питаемых широтно-импульсно модулированным напряжением, могут быть использованы при разработке конструкций АД с маломагнитным излучением.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика исследования ВЭМП АД при широтно-импульсной модуляции напряжения, включающая гармонический анализ напряжений и токов с использованием имитационных моделей АД на основе схем замещения, и численное моделирование ВЭМП АД для выявленных гармоник напряжений и токов.

2. Математические модели ВЭМП АД, учитывающие гармонический состав напряжений и токов двигателей, особенности их конструкции, нелинейность характеристик намагничивания и вихревые токи в проводящих элементах конструкции, позволяющие исследовать ВЭМП АД при питании широтно-импульсно модулированным напряжением для установившихся режимов работы двигателя.

3. Оценка эффективности способов снижения ВЭМП АД при широтно-импульсной модуляции напряжения, обоснованная результатами моделирования с применением разработанных математических моделей, в том числе при трехмерном численном моделировании ВЭМП, и рекомендации по их применению.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-технической конференции «Состояние и развитие электротехнологий» Иваново, ИГЭУ, 2011 г., Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы АПК» Саратов 2010 г., Международных научно-технических конференциях «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, ТГУ, 2009 г. и 2012 г., Международной научно-технической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы», Ульяновк, УлГТУ,

2012 г., научных семинарах кафедры «Электромеханика и промышленная автоматика» Сызранского филиала СамГТУ.

Внедрение результатов работы Основные положения, выводы и рекомендации нашли применение в системе автоматизированного управления режимом работы литейных машин на ОАО «Пластик», на компрессорной станции ОАО «НЕФТЕМАШ», в системе регулирования подачи паровоздушной смеси в стриппинг-колонны установки первичной перегонки нефти АВТ-6 на ООО «МНП «ЭЛЕКТРО», в учебном процессе по дисциплинам «Электрические машины» и «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, 4 из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК России.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 146-ти наименований, 11-ти приложений и содержит 147 страниц основного текста, 68 рисунков и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, выбраны методы решения поставленных задач, указана научная новизна, практическая ценность работы и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о публикациях, апробации, структуре и основных вопросах рассмотренных в главах диссертации.

В первой главе дан аналитический обзор существующего состояния и проблемы интенсивного использования частотно-регулируемых АД, работающих от ПЧ с ШИМ напряжения. Рассмотрено влияние ВЭМП АД на обслуживающий персонал и технику. Обоснована актуальность исследования ВЭМП АД при питании широтно-импульсно модулированным напряжением. Дан анализ различных подходов и методов исследования ВЭМП АД. Отмечены основные достоинства и недостатки существующих методик.

Во второй главе проведен гармонический анализ напряжений и токов трехфазных АД, питаемых от ПЧ с ШИМ напряжения с использованием разработанных имитационных моделей электромагнитных процессов в АД на основе схем замещения с зависимыми от частоты сопротивлениями.

Имитационная модель включала (рис. 1) мостовой транзисторный коммутатор, блок вычисления модулирующих сигналов управления, генератор сигналов ШИМ, трехфазный автономный инвертор напряжения, источник трехфазного напряжения, выпрямитель, трехфазный АД, осциллоскопы для наблюдения процессов. Моделирование проводилось в среде БтиНпк программного пакета МайаЪ в декартовой системе координат при допущениях: двигатель симметричен по фазам; магнитная система ненасыщена; в управ-

ляемом вентильном коммутаторе транзисторы считаются идеальными ключами.

гв

ЕЗ— ¡¡¡дії

е -а 5иЬГу51*П'.{

ЧЭ1* Ч • $ ■-АЛ

оеор&ет»"" и

Те «м» »

Рис. 1. Имитационная модель АД при питании от ПЧ с синусоидальной ШИМ

(1)

Математическая модель АД описана дифференциальными уравнениями для электрической (1) и механической (2) частей машины:

о ■ а

«4 = КС )у' ,

ш

Те =

— со = —(Г -Рсот -Тт), сії т 2НК е " "

— ©„, = (От л ш

Здесь: К г- активные сопротивления обмоток статора и ротора; ид5, іч$ -проекции напряжения и тока статора на ось я; и дп і ч, - проекции напряжения и тока ротора на ось я; ил, - проекции напряжения и тока статора на ось ё; и ¿г, Ї<іг - проекции напряжения и тока ротора на ось сі; ц,^, у/^ - проекции

потокосцепления статора на оси сі и я; у/'^.у/'^- проекции потокосцепления

ротора на оси с! и я; СОт - угловая скорость ротора; ©т - угловое положение

ротора; Те - электромагнитный момент; 'Г,,, - механический момент на валу; Н - суммарная инерционная постоянная машины и нагрузки; ^ - суммарный коэффициент вязкого трения (машины и нагрузки).

7

(2)

При частотном регулировании, когда АД получает питание от статического ПЧ, к обмотке статора подводится несинусоидальное напряжение (рис. 2). В этом случае при работе АД возникают периодические несинусоидальные токи. Часто применяются ПЧ с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией напряжения.

Рис. 2. Графики изменения напряжения и тока в фазах АД при прямоугольной (а), ступенчатой (б) и импульсной (в) формах напряжения

Гармонический анализ выходного напряжения ПЧ может быть осуществлен с использованием рядов Фурье:

u(t) = —+ ¿ [a, eos (i ■ со-t) + bt sin(¿ ■ со ■ t)],

2 /=i 2 т

a¡ = — Jm(í) ■ eos (i ■ со ■ t)dt, (3)

T o 2 T

b,=— Jw(0 • sin(¿ • со ■ t)dt T o

Компьютерный эксперимент проводился при следующих параметрах: двигатель АИР71В6УЗ 0,55 кВт; время моделирования 0,5 с; несущая частота инвертора 600 Гц и 1200 Гц; выходная частота инвертора 50 Гц; нагрузка -номинальная, статическая (5,25 Н), прикладывается к валу двигателя в момент времени 0,2 с. В результате получены диаграммы выходного напряжения инвертора (рис. 3).

Рис. 3. Диаграммы выходного напряжения инвертора преобразователя частоты при несущей частоте 600 Гц (а), при несущей частоте 1200 Гц (б)

В результате гармонического анализа были определены высшие гармонические напряжения статора АД (рис.4) и рассчитаны соответствующие им гармоники тока.

Нетто,«с огае. Нтгюлс оп!«1

а) б)

Рис. 4. Диаграммы амплитуд гармоник напряжения при несущей частоте инвертора 600 Гц (а), при несущей частоте 1200 Гц (б)

При питании АД от преобразователя с ШИМ амплитуды высших гармоник напряжения и тока статора могут достигать значительных величин. Так в ходе компьютерного эксперимента было определено, что при синусоидальной ШИМ с несущей частотой 600 Гц амплитуда 22 гармоники напряжения достигает 27 % от первой.

Высшие гармоники питающего напряжения и токов статора АД влекут дополнительные потери в обмотках и стали, пульсации электромагнитного момента, ухудшают работу двигателя: чем ниже несущая частота ШИМ, тем больше дополнительные потери, больше пульсации момента. Определено, что при питании АД от преобразователя с несущей частотой ШИМ 1200 Гц коэффициент несинусоидальности тока Кнт = 0,998534, коэффициент увеличения электрических потерь в обмотках АД от токов высших гармоник КЭл = 1,0029, коэффициент увеличения потерь в стали магнитопровода АД от действия высших гармоник напряжения Кст= 1,051467, пульсация момента 30 %, для несущей частоты ШИМ 600 Гц Кнт = 0,997642, Кэл = 1,0047, Кст = 1,059422, пульсация момента 57,14 %.

В третьей главе разработана трехмерная полевая модель ВЭМП АД, позволяющая исследовать и анализировать ВЭМП АД в разных режимах работы АД и источника питания (в том числе для выявленных гармоник напряжения и тока). При моделировании принято, что корпус и сердечник статора симметричны. В основе модели лежит численное решение дифференциальных уравнений Максвелла методом конечных элементов

югН =У;<ИуВ = 0; ю1Ё = -дВ/дг, 1 (4)

1 = у(Ё + ихВ); В = ц{Н)Н-,В = го\А) '

где В и Н - векторы индукции и напряженности магнитного поля; Е - вектор напряженности электрического поля; J - вектор плотности тока; 7 -

электропроводность, ¡х(Н) - магнитная проницаемость среды, А - векторный магнитный потенциал.

При численном решении уравнения магнитного поля минимизируется функционал:

(5)

W = l\\\ 0,5

[дЛ г ГдАÏ 2 (дЯ^ 2

+ + -\J +rotM)A

W [dzj \ /

т

Внешнее электромагнитное поле АД распространяется от разных частей конструкции Установлено, что при холостом ходе основное распространение ВЭМП происходит с поверхности сердечника статора АД; при номинальной нагрузке - от лобовых частей обмоток. Наибольшие ВЭМП АД создаются при пуске лобовыми частями обмоток статора, при наибольших пусковых токах.

Анализ источников ВЭМП АД обуславливает целесообразность использования трехмерного моделирования. Задача решалась с помощью пакета Ansoft Maxwell. Задавалась конфигурации магнитопроводов, зубцово-пазовых зон, лобовых частей обмоток, корпуса, подшипниковых щитов и торцевых частей АД, обмоточные данные АД, характеристики намагничивания и параметры материалов, временные функции тока. Для достижения заданной точности вычисления (1%) ВЭМП АД за минимальное число итераций задавалась сетка с определенным числом конечных элементов.

В ходе компьютерного моделирования рассчитаны временные зависимости изменения индукции магнитного поля АД АИР71В6УЗ в точках А, В, С, D (рис. 5) при питании АД синусоидальным напряжением, от ПЧ с ШИМ f„=600 Гц и f„=1200 Гц. Полученные графики представлены на рис. 6-8.

Рис. 5. Трехмерная модель АД АИР71В6УЗ в среде Ansoft Maxwell

Рис. 6. Временные зависимости изменения индукции ВЭМП АД в точках А, В, С (а) и О (б) при питании АД синусоидальным напряжением

а) б)

Рис. 7. Временные зависимости изменения индукции ВЭМП АД в точках А В, С (а) и О (б) при питании АД от ПЧ с ШИМ напряжения, Гн=600 Гц

Рис. 8. Временные зависимости изменения индукции ВЭМП АД в точках А В, С (а) и О (б) при питании АД от ПЧ с ШИМ напряжения, Ш=!200 Гц

Полученные в результате моделирования максимальные значения индукции ВЭМП превышают российские предельно-допустимые санитарные нормы на величину до 20%.

Энергия помехи, создаваемая высокочастотной составляющей ВЭМП АД, определяется путем интегрирования:

ЦГ„ = \uldt . (6)

Лу 0

Здесь: X - индуктивное сопротивление фазы АД для у-ой гармоники; И„ -амплитуда напряжения гармоники.

С удалением от источника спадает по закону: IV^ =///?"'2, где /? - расстояние от источника помехи.

Помехи, для которых \У = 10"7 Дж, уже являются причиной нарушения режимов работы чувствительных элементов микросхем ЭВМ. Рассчитанные значения XV АД АИР71В6УЗ (табл.1), превышают допустимый уровень воздействия на интегральные микросхемы.

Таблица 1. Электромагнитная энергия, Дж, ВЭМП АД АИР71В6УЗ при его питании от источника с ШИМ напряжения.___1____

-------Расстояние от корпуса АД, м Несущая частота ШИМ, Гц ------- 1,5 2

600 0,046227 0,0195003

1200 0,046223 0,0195000

Таким образом, определено, что при питании АД от источника напряжения с ШИМ его ВЭМП АД могут оказывать недопустимое воздействие на обслуживающий персонал и технику.

В четвертой главе на основе разработанных моделей осуществлена оценка эффективности способов снижения ВЭМП АД, питаемых от ПЧ с ШИМ напряжения, разработаны рекомендации по их применению, проведено сравнение теоретических результатов с опытными данными, полученными на созданном лабораторном стенде и в других организациях.

Выявлено, что снижение ВЭМП АД возможно различными способами. Наиболее эффективными являются: смена чередования фаз у группы АД (А, В, С - у первого АД; В, С, А - у второго АД; С, А, В - у третьего АД); рациональное пространственное расположение двигателей; экранирование лобовых частей обмотки статора. Оценка эффективности этих способов проведена с помощью компьютерного моделирования ВЭМП АД на основе разработанных двух- и трехмерных конечно-элементных моделей в системах Elcut и An-soft Maxwell (рис. 9-11).

Рис. 9. Результаты расчета ВЭМП группы из трех трехфазных АД АИР71В6УЗ при смене чередования фаз питания АД: а) - распределение силовых линий магнитного поля; б) - временные зависимости изменения индукции ВЭМП в точках Б, <3, Я

а) б>

Рис 10 Результаты расчета вэмп группы из трех трехфазных АД при треугольном' пространственном расположении: а) - распределение силовых линии магнитного поля при питании от ПЧ с ШИМ напряжения, Гн=600 Гц; б) - временные зависимости изменения индукции ВЭМП в точках С и Э

в) г>

Рис 11 Результаты расчета ВЭМП АД при экранировании лобовых частей обмотки статора- а) - трехмерная модель; б) - временные зависимости изменения индукции ВЭМП в точках К, Ц М; в) - в точке К; г) - в точке О

При анализе результатов моделирования выявлено: смена чередования фаз у группы из трех трехфазных АД уменьшает уровень ВЭМП в зоне между АД до 5 % изменение пространственного расположения группы из трех трехфазных АД снижает уровень ВЭМП во внутренней области между АД до 24 /о,

применение ферромагнитных экранов лобовых частей обмотки снижает уровень ВЭМП АД до 50 %.

Для снижения ВЭМП группы из т многофазных АД способом рационального расположения целесообразно размещать двигатели в вершинах правильных и-угольников, где л-число фаз АД, если т=п. Распространение метода смены чередования фаз питания для группы из «-фазных т двигателей предполагает большое число вариантов подключения их к питающей сети, что предоставляет больше возможностей для снижения ВЭМП.

Для экспериментальных исследований ВЭМП АД, питаемого от ПЧ с ШИМ напряжения, создан лабораторный стенд. В состав стенда (рис. 12) входят: коммутационная аппаратура (С>Р, КМ, К) с контролем наличия напряжения фаз; цифровой измеритель-регистратор (ОМК-32) с датчиками тока (ТА1, ТА2, ТАЗ); сетевой дроссель (Ьдр); преобразователь частоты (ПЧ); асинхронный двигатель с КЗ ротором АИР71В6УЗ (М1); датчик скорости (энкодер) (ВЯ); нагрузочная машина постоянного тока 2ПН90ЬУХЛ4 (М2); прибор измерения электромагнитных полей (ПЗ-50В), персональный компь-

На лабораторном стенде проведена серия опытов по определению гармонического состава входного напряжения и тока АД, а также индукций ВЭМП АД. Экспериментальные данные представлены в табл. 2 и 3.

Таблица 2. Результаты расчетов и измерений индукций ВЭМП АД АИР71В6УЗ при питании от ПЧ с ШИМ напряжения __

Координаты точки, мм Индукция ВЭМП АД (В), мкТл 5 мкТл

Численная модель Эксперимент

(60;60;0) 100 94,75 3,75 2,97

(0; 40; 120) 130 126,25 5,54 5,54

Таблица 3. Результаты расчетов и измерений амплитуд гармоник напряжения и тока АД АИР71В6УЗ при питании от ПЧ с ШИМ напряжения-

ЖСгИ v 1] линейное, В V 7 Я/,,% фазный, А 81 „, %

Модель Эксперимент Модель Эксперимент

1 537,56 536,33 0,23 7,94782 7,94 0,1

5 9,15 9.54 4,1 0,03218 0,35 2,5

7 7,85 8,23 4,6 0,01988 0,227 0,6

16 10,74 10,93 1, 0,01198 0,007 5,7

?0 62,27 63,47 1,9 0,0556 0,06 2,5

22 146,05 147 0,6 0,11857 0,12 1,2

С целью оценки влияния мощности двигателя на ВЭМП произведен анализ тягового АД для метрополитена мощностью 170 кВт и произведено сравнение расчетных данных с опытными данными ОАО НИПТИЭМ (табл. 4).

Таблица 4. Результаты расчетов и измерений индукций ВЭМП тягового АД 170 кВт на расстоянии от корпуса 400 мм_____

Источник Инлукция ВЭМП АД (В), мкТл АВ, мкТл 6В, %

Расчет Эксперимент

Синусоидальное напряжение 116 105 11 10,5

ПЧ с ШИМ, ^=1200 Гц 170 - - -

ПЧ с ШИМ, £,=600 Гц 205 - - -

Из сравнения результатов расчетов и измерений индукций ВЭМП АД следует, что максимальные расхождения результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышают 11 %. Таким образом, показано, что разработанные численные модели обеспечивают хорошую точность расчета ВЭМП для двигателей малой и средней мощности.

Основные выводы и наиболее существенные результаты:

1. Предложена методика исследования внешних электромагнитных полей, создаваемых АД при ШИМ фазных напряжений статора, включающая выявление существенных для расчета этих полей гармоник напряжений и токов АД и численное моделирование упомянутых полей для выявленных гармоник

напряжений и токов.

2. Определен спектр существенных для расчета ВЭМП АД гармоник напряжения и тока с использованием имитационной модели АД при питании его широтно-импульсно модулированным напряжением. Выявлено, что для исследуемых законов ШИМ 22-я гармоника имеет наибольшую амплитуду.

3. Разработаны математические модели ВЭМП АД, на основе численных методов расчета, учитывающие гармонический состав питающего напряже-

ний и токов АД, конфигурацию зубцово-пазовых зон магнитопровода, лобовых частей обмоток, корпуса, подшипниковых щитов и торцевых частей АД, обмоточные данные двигателя, нелинейность характеристик намагничивания, вихревые токи в проводящих элементах конструкции.

4. На основе разработанных математических моделей определены уровни ВЭМП АД, питаемых широтно-импульсно модулированным напряжением, для установившихся режимов работы АД. Выявлено, что для мощных высо-коиспользованных АД при питании от ПЧ с ШИМ напряжением ВЭМП содержат значительные уровни высокочастотных составляющих. Максимальные значение индукции ВЭМП из-за наличия высокочастотных составляющих могут превышать предельно допустимые уровни.

5. Установлено, что в наибольшей степени источником ВЭМП АД, питаемых от ПЧ с ШИМ напряжения, являются лобовые части обмотки статора в пусковых режимах.

6. На основе результатов моделирования ВЭМП оценена эффективность известных способов снижения ВЭМП и их модификаций. Установлено, что смена чередования фаз питания у группы из трех трехфазных АД позволяет снизить уровень ВЭМП в зоне между АД до 5 %, изменение пространственного расположения группы из трех трехфазных АД позволяет снизить уровень ВЭМП во внутренней области между АД до 24 %, применение ферромагнитных экранов в зоне лобовых частей обмотки позволяет снизить уровень ВЭМП АД до 50 %. Увеличение числа двигателей и числа фаз АД позволяет расширить комбинации применяемых способов и добиваться большего снижения ВЭМП.

7. Предложенные методика и модели расчета ВЭМП АД, питаемых ши-ротно-импульсно модулированным напряжением, могут быть использованы при разработке конструкций АД с маломагнитным излучением.

8. Результаты экспериментальных измерений ВЭМП АД подтверждают полученные результаты теоретических исследований с погрешностью не более 11 %.

В приложениях приведены акты внедрения работы на предприятиях, а также дополнительные материалы, не вошедшие в основной текст диссертации.

Публикации в научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Шумилов, Е.А. Естественные характеристики асинхронизированного вентильного электродвигателя на базе инвертора напряжения / Ю.Б. Казаков, И.В. Гуляев, И.С. Юшков, Е.А. Шумилов // Вестник ИГЭУ - 2010,- №3.- С. 5659.

2. Шумилов, Е.А. Уточнение интегральных параметров вентильного двигателя с постоянными магнитами на основе моделирования магнитного поля методом конечных элементов / В.Е. Высоцкий, Р.Г. Горшков, Д.О.

Чуянов, Е.А. Шумилов // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: «Технические науки». -2011. -№ 3 (31). - С. 145-152. ^

3 Шумилов Е.А. Численный анализ внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при питании широтно-импульсно-модулированным напряжением / Ю.Б. Казаков, A.B. Тамьяров, Е.А. Шумилов, Д.О. Чуянов //

Вестник ИГЭУ - 2011.- №5,- С. 34-37.

4 Шумилов Е.А. Анализ способов и методов снижения внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при питании широтно-импульсномодулированным напряжением / Ю.Б. Казаков, Е.А. Шумилов // Вестник ИГЭУ - 2012.- №3.- С. 40-42.

В других журналах и изданиях:

5. Шумилов, Е.А. Основные средства обеспечения электромагнитной совместимости частотно-регулируемых электроприводов / Ю.Б. Казаков, Е.А. Шумилов, Р.Г. Горшков, Д.О. Чуянов // Актуальные проблемь. эн^гетики АПК: Материалы Межд. научно-практ. конф. - Саратов: Изд. «КУБиК», ¿ши. -С. 172-175.

6 Шумилов, Е.А. Электромагнитная совместимость частотно-регулируемых электроприводов с учетом взаимного влияния физических полей/ Ю.Б. Казаков, Е.А. Шумилов, Р.Г. Горшков, Д.О. Чуянов // Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы Межд. научно-практ. конф. - Саратов: Изд. «КУБиК», 2010. - С. 175-178.

7 Шумилов Е.А. Электромагнитная совместимость частотно-регулируемых электроприводов / Ю.Б. Казаков, Е.А. Шумилов, Р.Г. Горшков // Промышленная безопасность: Сб. статей Всеросс. научно-техн. конф. -

Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 125-127.

8 Шумилов, Е.А. Исследование внешних электромагнитных полей асинхронного двигателя при питании широтно-импульсно модулированным напряжением / Ю.Б. Казаков, Е.А. Шумилов, Д.О. Чуянов // Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бернадосовские чтения : Сбор научн. тр. межд. научно-техн. конф. - Иваново: ИГЭУ, 2011. Юм ш

Электротехника. - С. 113-116.

9 Шумилов, Е.А. Моделирование внешнего магнитного поля

асинхронного двигателя с помощью программного пакета Ansoft Maxwell / Е А Шумилов, С.С. Феоктистов // Научный потенциал города - XXI веку, материалы молодежной научно-практической конференции. - Самара:

Самар.гос.тех. ун-т, 2011. - С. 180.

10 Шумилов Е.А. Компьютерное моделирование внешних электромагнитных полей асинхронного частотно-регулируемого электродвигателя / Ю.Б. Казаков, Е.А. Шумилов, Д.О. Чуянов, С.М. Воронин // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: С5 тр. межд. научно-техн. конф.- Тольятти: Издательство ТГУ, 2012. 4.1. - С. 161166.

11. Шумилов, Е.А. Необходимость исследования внешних электромагнитных полей частотно-регулируемых электроприводов / Ю.Б. Казаков, Е.А. Шумилов, В.О. Юдина // Новый университет. Серия: «Технические науки». -2012. -№ 2 (8). - С. 40-42.

12. Шумилов, Е.А. Расчетное исследование методов и способов снижения ВЭМГТ АД / Ю.Б. Казаков, Е.А. Шумилов // Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы: Матер, межд. научно-практ. конф.— Ульяновск: УлГТУ, 2012. - Т.2. - С. 196-200.

13. Шумилов, Е.А. Анализ внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при питании широтно-импульсно модулированным напряжением / Ю.Б. Казаков, Е.А. Шумилов // Труды XIV-ой Междун. конф. «Электромеханика, Электротехнологии, Электротехнические материалы и Компоненты»,- Алушта: МЭИ, 2012. - С. 163-164.

14. Шумилов, Е.А. Оценка эффективности применения ферромагнитных экранов для снижения электромагнитного поля асинхронного двигателя на основе компьютерного моделирования // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Параметры и характеристики электрических машин в статических и динамических режимах: сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ, 2013.-С. 48-53.

15. Шумилов, Е.А. Оценка эффективности способов снижения ВЭМП группы АД при питании импульсно-модулированным напряжением на основе компьютерного моделирования // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Параметры и характеристики электрических машин в статических и динамических режимах: сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ, 2013.-С. 76-81.

Личный вклад автора: В работах [1,2] автором сформулированы задачи и определены подходы к исследованию. В работах [3-15] автором приведены результаты моделирования и исследования ВЭМП АД, питаемых от ПЧ с ШИМ напряжения, и анализ полученных результатов.

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04 Протокол №.26 от 15.10.2013г. Заказ № 257- Формат 60x84 1/16. Бумага тип. №1. Отпечатано на ризографе, уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Самарский государственный технический университет Типография СамГТУ 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус

ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет

АНАЛИЗ СПОСОБОВ И МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ПИТАНИИ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНО МОДУЛИРОВАННЫМ

НАПРЯЖЕНИЕМ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

На поавах оукописи

Шумилов Егор Алексеевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Казаков Ю.Б.

Самара-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................ 5

ГЛАВА 1 ВНЕШНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ПИТАЕМЫЕ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНО МОДУЛИРОВАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ..... 11

1.1. Интенсивное внедрение в промышленности частотно-регулируемых асинхронных двигателей, работающих от преобразователей с широтно-импульсной модуляцией напряжения . 11

1.2. Проявления внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей......................... 21

1.3. Методы исследования внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей................... 27

1.4. Моделирование электромагнитных полей асинхронных

двигателей численными методами............................36

1.5. Выводы и постановка задач................ 47

ГЛАВА 2. ВЫЯВЛЕНИЕ СУЩЕСТВЕННЫХ ДЛЯ РАСЧЕТА ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ГАРМОНИК НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ ФАЗ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ. . 49

2.1. Имитационное моделирование асинхронных двигателей, работающих от преобразователей частоты с широтно-импульсной 49 модуляцией напряжения...................

2.2. Гармонический состав выходного напряжения инвертора и тока асинхронных двигателей при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения.......... 58

2.3. Расчет электромагнитных процессов в асинхронных двигателях

при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной 70 модуляцией напряжения....................

2.4. Выводы......................... 80

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ

МОДУЛЯЦИЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ

ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.............. 82

3.1. Частотно-регулируемый асинхронный двигатель, как источник высокочастотного внешнего электромагнитного поля....... 82

3.2. Двухмерное моделирование внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при работе от преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения.......... 85

3.3. Трехмерное моделирование внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при работе от преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения.......... 90

3.4. Анализ энергии высокочастотных электромагнитных помех внешнего электромагнитного поля асинхронных двигателей при питании от преобразователя с широтно-импульсной модуляцией напряжения......................... 99

3.5. Выводы......................... 101

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ПИТАНИИ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНО МОДУЛИРОВАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ...................... 104

4.1. Способы снижения внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей.................... 104

4.2. Оценка эффективности способов снижения внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при питании широтно-ипульсно модулированным напряжением на основе компьютерного моделирования................ 111

4.3. Экспериментальное исследование электромагнитных процессов в асинхронном двигателе, работающем от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения, и внешних

электромагнитных полей......................................117

4.4. Выводы..................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................131

ЛИТЕРАТУРА............................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ А............................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ Б............................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ В............................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ Г............................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ Д............................................155

ПРИЛОЖЕНИЕ Е............................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж..........................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ 3............................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ И............................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ К............................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ Л............................................165

ВВЕДЕНИЕ

Асинхронные двигатели (АД), как и любое другое работающее электротехническое устройство, создают внешние электромагнитные поля (ВЭМП). ВЭМП АД распространяются в пространстве, создают электромагнитное загрязнение окружающей среды, оказывает влияние на оборудование и обслуживающий персонал. Плотность размещения и установленная мощность АД возрастают, влияние их ВЭМП на работу других устройств усиливается. Это вызывает проблемы электромагнитной совместимости. ВЭМП приводят к нарушениям в работе устройств автоматики, релейной защиты, связи. Они являются причиной сбоев в работе электронной техники, систем управления технологическими процессами и объектами. Среди устройств наиболее чувствительны к ВЭМП элементы микропроцессорных систем управления.

В настоящее время широко используется питание АД от преобразователей частоты (ПЧ). Современные ПЧ зачастую работают в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения. Применение ШИМ напряжения обуславливает появление в напряжении и токе АД высокочастотных составляющих, которые могут быть значительными, являться источниками повышенных частот ВЭМП АД и электромагнитных помех. Если при работе АД от сети с синусоидальным напряжением его основное ВЭМП будет иметь такую же частоту, то при работе АД от преобразователей с ШИМ напряжения ВЭМП будут иметь широкий частотный спектр. С повышением частоты воздействие ВЭМП на чувствительные элементы оборудования возрастает.

ВЭМП оказывают влияние на обслуживающий персонал. Наиболее чувствительны к ВЭМП центральная нервная, сердечно-сосудистая, гормональная и репродуктивная системы человека. Воздействие на персонал проявляется в головных болях, вялости, утомляемости, повышении артериального давления, учащении пульса, а после длительного воздействия

и изменении в составе крови. Установлены предельно допустимые уровни ВЭМП для человека. По Российским санитарным нормам предельно-допустимые уровни полей снижаются с повышением частоты. Так, если при воздействии на человека в течение всей смены предельно допустимая индукция постоянного магнитного поля составляет 104 мкТл, то для частоты 50 Гц она снижается до 100 мкТл, а для частот от 10 до 30 кГц, при которых обычно работают преобразователи с ШИМ напряжения, до 62,5 мкТл.

Это делает актуальной проблему анализа перспективных способов и методов снижения ВЭМП АД с ШИМ напряжения. Значительный вклад в исследования ВЭМП электрических машин внесли Вольдек А.И., Иванов-Смоленский А.И., Каасик П.Ю., Ефименко JI.A, Андреева O.A., Уильяме Т., Армстронг К., Новокшенов B.C., Соколов С.Е., Жумангулов К.К., Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Пашали Д.Ю., Бойкова O.A., Силин Н.В. Исследования способов снижения ВЭМП проводили, Аполллонский С.М., Сотников В.В., Крылов В.А., Юченкова Т.В., Манин Б.А., Кутузова Н.Б., Марченко Е.А. Однако, в опубликованных результатах исследований не рассматривалось влияние ШИМ напряжения. АД на ВЭМП, а анализ методов расчета полей и способов их снижения проведен на основе аналитических зависимостей, с принятием существенных допущений.

Таким образом, анализ методов и способов снижения ВЭМП при питании АД с ШИМ напряжением, включающий применение численных методов со снятием части существенных, принятых в предыдущих исследованиях, допущений не выполнялся и является актуальным.

Цель работы — совершенствование методов исследования внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей, питаемых широтно-импульсно модулированным напряжением, оценка эффективности основных способов их снижения.

Предмет исследования:

Методы и способы снижения внешнего электромагнитного поля АД.

Объект исследования:

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, питаемый широтно-импульсно модулированным напряжением.

Задачи исследования:

- определение уровней высших гармоник напряжений и токов АД, питаемых от ПЧ с ШИМ напряжения, на основе гармонического анализа электромагнитных процессов АД с использованием имитационных моделей;

- разработка математических моделей ВЭМП АД на основе численных методов;

- анализ изменения ВЭМП АД при питании от ПЧ с ШИМ напряжения для разных режимов работы АД и источника;

- разработка рекомендаций по применению способов снижения ВЭМП АД и оценка их эффективности на основе разработанных математических моделей;

- экспериментальная проверка результатов теоретических исследований ВЭМП АД.

Методы исследования

Для решения задач выполнены теоретические исследования с использованием имитационного моделирования на основе дифференциальных уравнений и структурных схем в системе моделирования динамических процессов MatLab Simulink и метода конечных элементов для численного расчета электромагнитных полей в системах Elcut и Ansofît Maxwell. Автоматизированный расчет данных производился с использованием М-книг. Опытные результаты получены на экспериментальном стенде с использованием измерительных антенн, цифровых измерителей-регистраторов и цифровых осциллографов. Теоретические результаты также сравнивались с опытными данными, полученными в других организациях.

Научная новизна работы

1. На основе анализа известных методов, предложена методика исследования создаваемых АД при ШИМ фазных напряжений статора внешних электромагнитных полей, ориентированная на их снижение. Она включает выявление существенных для расчета этих полей гармоник напряжений и токов АД, с помощью имитационных моделей на основе схем замещения двигателей, и численное моделирование упомянутых полей для выявленных гармоник напряжений и токов.

2. Разработаны математические модели внешних электромагнитных полей, создаваемых АД при ШИМ фазных напряжений статора, на основе метода конечных элементов в трехмерной постановке, учитывающие изменение гармонического состава токов АД при изменении режимов работы. Они учитывают также конфигурацию зубцово-пазовых зон магнитопровода, корпуса и торцевых частей АД, обмоточные данные двигателя, нелинейность характеристик намагничивания и вихревые токи в проводящих элементах конструкции

3. Дана оценка эффективности способов снижения ВЭМП АД при питании широтно-импульсно модулированным напряжением, обоснованная результатами моделирования с применением разработанных математических моделей, в том числе, при трехмерном численном моделировании ВЭМП.

Практическая ценность работы

1. На основе разработанных математических моделей определены уровни ВЭМП АД, питаемых широтно-импульсно модулированным напряжением, для установившихся режимов работы АД. Показано, что для высокоиспользованных АД в пусковых режимах значения ВЭМП могут превосходить допустимые уровни.

2. На основе оценки эффективности снижения ВЭМП АД различными способами даны рекомендации по их применению.

3. Предложенные методика и модели расчета ВЭМП АД, питаемых широтно-импульсно модулированным напряжением, могут быть использованы при разработке конструкций АД с маломагнитным излучением.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика исследования ВЭМП АД при широтно-импульсной модуляции напряжения, включающая гармонический анализ напряжений и токов с использованием имитационных моделей АД на основе схем замещения, и численное моделирование ВЭМП АД для выявленных гармоник напряжений и токов.

2. Математические модели ВЭМП АД, учитывающие гармонический состав напряжений и токов двигателей, особенности их конструкции, нелинейность характеристик намагничивания и вихревые токи в проводящих элементах конструкции, позволяющие исследовать ВЭМП АД при питании широтно-импульсно модулированным напряжением для установившихся режимов работы двигателя.

3. Оценка эффективности способов снижения ВЭМП АД при широтно-импульсной модуляции напряжения, обоснованная результатами моделирования с применением разработанных математических моделей, в том числе при трехмерном численном моделировании ВЭМП, и рекомендации по их применению.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-технической конференции «Состояние и развитие электротехнологий» Иваново, ИГЭУ, 2011 г., Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы АПК» Саратов 2010 г., Международных научно-технических конференциях «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, ТГУ, 2009 г. и 2012 г., Международной научно-технической конференции

«Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы», Ульяновк, УлГТУ, 2012 г., научных семинарах кафедры «Электромеханика и промышленная автоматика» Сызранского филиала СамГТУ.

Внедрение результатов работы Основные положения, выводы и рекомендации нашли применение в системе автоматизированного управления режимом работы литейных машин на ОАО «Пластик», на компрессорной станции ОАО «НЕФТЕМАШ», в системе регулирования подачи паровоздушной смеси в стриппинг-колонны установки первичной перегонки нефти АВТ-6 на ООО «МНП «ЭЛЕКТРО», в учебном процессе по дисциплинам «Электрические машины» и «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, 4 из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК России.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 146 наименований, 11 приложений и содержит 147 страниц основного текста, 68 рисунков и 21 таблицу.

ю

ГЛАВА 1. ВНЕШНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ПИТАЕМЫЕ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНО МОДУЛИРОВАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ.

1.1. Интенсивное внедрение в промышленности частотно-регулируемых асинхронных двигателей, работающих от преобразователей частоты.

Асинхронные двигатели (АД) в настоящее время являются самым распространенным типом электрической машины. Это объясняется простотой конструкции АД, его высокой надежностью, возможностью работы непосредственно от сети переменного тока, простотой обслуживания, приемлемой стоимостью. АД широко применяются в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в металлорежущих станках, подъёмно-транспортных машинах, транспортёрах, насосных агрегатах, устройствах автоматики и т.д. [78, 90].

При эксплуатации АД зачастую возникает необходимость регулирования их частоты вращения. Возможные способы регулирования скорости АД представлены на рис. 1.1 [72, 76].

Рис. 1.1. Классификация способов регулирования скорости АКД

Изменение скорости переключением числа пар полюсов АД позволяет получать несколько (от 2 до 4) значений рабочих скоростей, поэтому плавное регулирование скорости и формирование переходных процессов при этом

способе невозможно. Данный способ имеет определенные области

и

применения, но не может рассматриваться, как основа для построения систем регулируемого электропривода [104].

При регулировании частоты вращения АД изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент Мкр двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения (рис. 1.2).

и >и, >и,>и}

ном 1 2 '

пускЗ

пуск 2

м м М М

пуск 1 пуск кр

Рис. 1.2. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора

Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (Мс > Мпуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении или на холостом ходу. Регулировать частоту вращения АД таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, что существенно ограничивает его применение [67, 104].

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения,

можно в соответствии с выражением со0 = при неизменном числе пар

Р

полюсов р изменять угловую скорость 6У0 магнитного поля статора.

Способ регулирования скорости АД изменением частоты питающего напряжения является основным способом регулирования. С широким распространением дешевых микропроцессоров и появлением мощных транзисторов создались условия, позволяющие достаточно простыми средствами формировать напряжение желаемой формы, подводимое к обмоткам статора АД. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Механические характеристики АКД при частотном �