автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование безредукторных электроприводов с частотно-управляемыми низкоскоростными асинхронными двигателями

На правах рукописи 48481оо

НОВИКОВ СЕРГЕИ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ БЕЗРЕДУКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМЫМИ НИЗКОСКОРОСТНЫМИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

2 6 Май 2011

4848156

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Масандилов Лев Борисович;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пречисский Владимир Антонович

кандидат технических наук, профессор

Грехов Виктор Петрович

Ведущая организация:

ОАО «Карачаровский механический завод»

Защита диссертации состоится «10» июня 2011 г. в 16 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «06» мая 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 кандидат технических наук, доцент

Цырук С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Для получения низких частот вращения рабочих механизмов часто используются электроприводы, в которых двигатель передает движение исполнительному валу через редуктор. Редуктор обладает рядом недостатков, среди которых можно выделить: повышенные требования к качеству изготовления механических узлов и деталей, шум и вибрации при работе, необходимость в периодическом техническом обслуживании и дополнительные потери энергии.

В результате существенных достижений в развитии силовой и информационной электроники, а также прогресса в разработке систем регулируемого электропривода переменного тока в настоящее время во многих областях промышленности наметилась тенденция перехода к безредукторным приводам, которые работают при низких частотах и не требуют наличия редукторов. В большинстве зарубежных стран в безредукторных приводах применяются синхронные машины с постоянными магнитами в режиме вентильного двигателя.

Важно отметить, что поскольку с каждым годом увеличиваются масштабы применения регулируемых электроприводов, выполненных по системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель, большой интерес представляет исследование, разработка и использование безредукторных приводов с асинхронными двигателями, которые имеют преимущественное распространение в промышленности и, в частности, в лифтовых установках. Для безредукторного электропривода был разработан, имеющий повышенное число витков обмотки статора, отечественный низкоскоростной асинхронный двигатель. Автор данной диссертации принимал участие в исследованиях и испытаниях безредукторного электропривода с низкоскоростным асинхронным двигателем на действующих лифтах. Разработанный низкоскоростной асинхронный двигатель имеет ряд существенных преимуществ перед импортными аналогами.

Низкоскоростной асинхронный двигатель работает при пониженных частотах. Для выполнения расчетов электропривода с этим двигателем необходимо разработать математическое описание статических и динамических режимов его работы с учетом влияния на них. различных факторов.

Вследствие того, что для ряда отраслей промышленности имеется большая потребность в использовании электроприводов, не содержащих редукторы, безредукторные электроприводы, выполненные по системе преобразователь частоты - низкоскоростной асинхронный двигатель, должны получить широкое применение, их исследование и разработка представляет значительный научный и практический интерес.

Цель диссстациинной работы - исследование и разработка способов, алгоритмов и программного обеспечения для математического описания частотно-управляемого электропривода с низкоскоростным асинхронным двигателем при учете и без учета насыщения его магнитной цепи, а также разработка методик по выбору рациональных параметров электропривода.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Экспериментальное определение кривых намагничивания асинхронных двигателей в диапазоне мощностей 1+50 кВт при частотах 5-И 00 Гц и получение обобщенной кривой намагничивания.

2. Разработка математического описания асинхронного двигателя с учетом насыщения магнитной цепи по пути основного магнитного потока.

3. Проведение лабораторных исследований по проверке разработанного математического описания в различных режимах электропривода с низкоскоростным асинхронным двигателем.

4. Разработка рекомендаций по выбору рационального числа витков обмотки статора низкоскоростного асинхронного двигателя по условиям снижения тока статора и увеличения электромагнитного момента.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались: теория электропривода, теория автоматического управления, теоретические основы электротехники, моделирование и разработка средствами персонального компьютера в специализированных программах

Mathcad, Delphi и др., экспериментальные исследования (лабораторные и на действующих установках).

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами экспериментальных лабораторных исследований и испытаний безредукторного электропривода с низкоскоростным асинхронным двигателем на действующих лифтах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

■ разработано математическое описание, позволяющее рассчитывать статические и динамические характеристики асинхронного электропривода в широком диапазоне частот с учетом насыщения магнитной цепи.

= предложены способы рационального выбора числа витков обмотки статора низкоскоростного асинхронного двигателя.

■ получена формула для определения и обеспечения минимального диаметра шкива привода дверей кабины лифта с целью исключения из безредукторного электропривода тормозного резистора.

Основной практический результат диссертации состоит в том, что с помощью предложенных алгоритмов и выражений можно определить рациональные параметры числа витков обмотки статора и оценить особенности работы электропривода с низкоскоростным АД до его изготовления. Лабораторные исследования и испытания на действующих лифтах подтвердили положительные свойства электроприводов с низкоскоростным АД.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (технического университета), докладывались на Тринадцатой и Шестнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2007 г. и 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Количество страниц - 143, иллюстраций - 68, число наименований использованной литературы - 106 на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы.

В первой главе проведен обзор используемых на сегодняшний день безредукторных электроприводов. Описан принцип осуществления низкоскоростного асинхронного двигателя, с помощью которого в системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД) реализован безредук-торный электропривод. Указаны особенности такого электропривода, поставлены задачи исследований.

Установлено, что значения параметров схсмы замещения (и их изменение в процессе работы двигателя) оказывают существенное влияние на точность расчетов процессов и режимов работы асинхронного двигателя. Наибольшее влияние на расчеты асинхронного электропривода (особенно работающих при пониженных частотах) оказывает насыщение магнитной цепи по пути основного магнитного потока, вызывающее изменение сопротивления взаимной индукции Х0. В связи со значительными сложностями теоретических расчетов учет влияния насыщения на Хо проводят приближенно, используя кривые намагничивания, полученные в опытах холостого хода.

В последнее время вследствие развития полупроводниковой техники во многих областях промышленности (авиационной, автомобильной, металлургической, лифтовой, пищевой и др.) наметилась тенденция перехода к безре-дукторным электроприводам, которые с каждым годом находят все более широкое применение. В большинстве зарубежных стран в таких приводах применяют синхронные двигатели с постоянными магнитами.

Для безредукторного электропривода (рис. 1) был разработан отечественный низкоскоростной асинхронный двигатель, имеющий повышенное число витков обмотки статора. Низкоскоростной асинхронный двигатель имеет ряд существенных преимуществ перед импортными аналогами - ремонтопригодность, доступность и оперативность сервисного обслуживания.

В соответствии со сказанным

Ш

важными задачами для исследования являются разработка математического описания электропривода с низкоскоростным асинхронным двигателем при учете насыщения магнитной цепи по пути основного магнитного потока, а также выбор числа витков обмотки статора такого двигателя. Задачи исследований, решение которых позволило достичь поставленной цели, поставлены с учетом следующих положений:

пч

АI

противовес

кабина

Рис. 1. Электропривод лифта с низкоскоростным асинхронным двигателем

1) Для проведения расчетов электроприводов, выполненных по системе ПЧ-АД, требуется наличие кривых намагничивания в широком диапазоне частот (до 100 Гц). Представляется важным определение кривых намагничивания путем проведения ряда экспериментов в режиме холостого ^ода АД.

2) Для расчетов статических и динамических характеристик значительный интерес представляет разработка математического описания и методики расчета асинхронного электропривода с учетом насыщения магнитной цепи по пути основного магнитного потока.

3) Проведение лабораторных исследований в различных режимах с целью проверки разрабатываемых алгоритмов и методик расчета частотно-управляемого электропривода с низкоскоростным АД.

4) Значительный интерес представляет разработка методик по выбору рационального числа витков обмоток статора низкоскоростного асинхронного двигателя, исходя из двух важных условий: получение минимально возможного тока при постоянстве критического момента и увеличение критического момента двигателя.

Во второй главе разработано математическое описание асинхронного двигателя с учетом насыщения. Приводятся результаты проведенных авто-

ром лабораторных экспериментальных исследований по снятию кривых намагничивания и испытаний для подтверждения теоретических результатов.

Для математического описания АД с учетом насыщения магнитной цепи использована известная система уравнений, которая дополнена алгебраическим уравнением для тока намагничивания. С помощью данной системы можно выполнять расчеты статических и динамических характеристик АД с учетом насыщения магнитной цепи. Чтобы данную систему возможно было решить с помощью метода Рунге-Кутта, для применения которого имеются стандартные программы на ЭВМ, алгебраическое уравнение тока намагничивания было продифференцировано и представлено в виде дифференциального уравнения первого порядка.

Для расчета симметричных схем включения АД с учетом насыщения магнитной цепи получена следующая система уравнений:

л

л = Кп

аЧ = Гу2,

Рг 3

Л 3

2Рггг0о)-4('о)

Яо 1

+ М0(/0)-[4т1+£1т2]

;; + + ¿А) + (¿А + £ + КгК,)

где (1)

Ру, С^./И.Л) = -С0с^, -V, (,-0) • - кг(/„) •

^2 (^,1 - > ^2 ) ■= К - - К ('о ) • №,2 - К ('о ) • }

^■2(^2.^1,^.2) = "(Ос -^-2 -К

-9В систему уравнений (1) входят обобщенные параметры, зависящие от тока намагничивания

к Оо) = М0 (/0) + , 1Г (/„) = М0 (/0) + Ьа2,

4(<о) М;о)

Мго) 4('о)

где М0(г0) = Х0(10)/шс - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора;

= /®с и = /сос- индуктивность рассеяния для статора и ротора соответственно (где юг = 2- круговая частота источника питания АД).

В работе также получены системы дифференциальных уравнений для расчета схемы динамического торможения и при питании АД от источника тока с учетом насыщения магнитной цепи, подобные (1).

Проведенные исследования показывают, что при расчетах системы ПЧ-АД во многих случаях можно пренебречь влиянием эффектов вытеснения тока и насыщения путей потоков рассеяния на параметры двигателя, особенно при частотах менее 10 Гц, которые характерны для безредукторных электроприводов (например, лифтов). Установлено, что насыщение магнитной цепи, вызывающее изменение сопротивления взаимной индукции Х0, может существенно влиять на точность расчетов характеристик асинхронного электропривода.

Для учета изменения насыщения магнитной цепи АД необходимо представить его главную взаимную индуктивность в виде непрерывно изменяющейся функции намагничивающего токаХо =Д^о) (эту зависимость называют характеристикой намагничивания). Поскольку в технической литературе кривые намагничивания обычно приводятся при частоте питающей сети 50 Гц, то значительный интерес представляет определение таких кривых при различных частотах.

В работе кривые намагничивания получены для режима холостого хода с помощью двух схем. В первой схеме (рис. 2, а) АД сочленен с нагрузочной машиной, которая питается от тиристорного преобразователя. Во второй схеме (рис. 2, б) испытуемый АД имеет фазный ротор, который во время экс-

перимента размыкался и вал двигателя оставался неподвижен. В процессе проведения экспериментов для ряда частот измерялись мгновенные значения переменных с использованием датчиков тока, датчиков напряжения и размещенной в компьютере многофункциональной платы Ь-САЯВ. Обработка экспериментов проведена с помощью математического пакета МаШСаё. Для исключения негативного влияния ШИМ на качество регистрации переменных между ПЧ и двигателем включался сетевой фильтр.

Рис. 2. Схема включения асинхронного двигателя при снятии кривых намагничивания с нагрузочной машиной (а) и с неподвижным ротором (б)

Поскольку сразу было установлено, что получаемые с помощью схем рис. 2 зависимости Хо(1о) близки, то дальнейшие эксперименты по определению кривых намагничивания проводились по схеме рис. 2, б, которую значительно проще реализовать. Снятие кривых намагничивания выполнялось на экспериментальных стендах для шести асинхронных двигателей (мощностью 1,1т55 кВт), технические данные которых приведены в табл. 1.

Так как двигатели разной мощности имеют различные значения взаимных индуктивностей, то для получения обобщенной зависимости удобнее

Таблица 1. Технические данные исследуемых асинхронных двигателей

Тип двигателя 5A90L6 (127 В) 5A90L6 (380 В) MTF011-6 MTF112-6 MTF412-6 4MTH225L6

Номинальная мощность, кВт 1,1 1Д 1,4 5,0 30,0 55,0

Ток холостого хода, А 5,9 2,0 4,9 12,30 42,10 55,9

Индуктивное сопротивление рассеяния фазы статора, Ом 2,06 17,80 3,60 1,740 0,197 0,140

перейти к относительным величинам М0'{1о'), где М0' определяется по формуле Мо = Мй / Л/оном, в которой Mq

ном -^lOiiOM ^ (2лУном/оном)-

Для всех испытуемых АД на рис. 3, а построены зависимости Afo'Uo*) при различных частотах в диапазоне 5-100 Гц и усредненная зависимость М0*(10*). Эта зависимость отдельно приведена на рис. 3, б.

По результатам исследований получена обобщенная кривая намагничивания (рис. 3, б)

Х*(/о) = -0,002 • Г06 + 0,037 ■ С -0,261 • /¿4 + 0,87 ■ /'3 +

+1,278 ■/*2+0,214 •/'+1,413. (2)

3,0 г.ъ 2,0 13 1,0 0,5 0,0

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3.5 4,0 ffj

Рис. 3. Экспериментальные зависимости А/о*(/о*)> полученные для разных типов АД (см. табл. 1) и различных частотах в диапазоне 5-400 Гц (а) и обобщенная кривая М0'(10') (б)

В диссертационной работе использован следующий алгоритм учета насыщения магнитной цепи при расчетах статических характеристик:

• задаваясь рядом значений токов намагничивания /о, определялись соответствующие им значения Ха по формуле (2);

• для каждой пары значений (70, А о) рассчитывались значение скольжения в зависимости от схемы включения АД, затем находились угловую скорость й, если требовалась, частота вращения двигателя; . • вычислялись остальные требуемые переменные АД.

С использованием системы уравнений вида (1) разработана методика расчета переходных процессов электропривода с учетом насыщения магнитной цепи по пути основного магнитного потока. Расчеты проводятся с помощью программ на ЭВМ, в которых используются численные решения системы дифференциальных уравнений по методу Рунге-Кутта. При этом на каждом г'-м шаге интегрирования определяются необходимые переменные и параметры двигателя на основе значений, вычисленных на (/-1)-м шаге. В том числе вычисляется и ток намагничивания, по которому ставится в соответствие значение взаимоиндуктивности М0 согласно зависимости для кривой намагничивания (2). Далее с учетом найденного значения М0 рассчитываются обобщенные параметры и необходимые коэффициенты в уравнениях.

Примеры расчета статических и динамических характеристик для двигателей типа 5А90Ь6КУЗ (127/220В и 380/660В) в нормальной схеме включения приведены на рис. 4 и в схеме динамического торможения - на рис. 5 (штриховые линии - без учета насыщения; сплошные - с учетом насыщения; крестиками на графиках отмечены экспериментальные значения).

Установлено, что насыщение магнитной цепи по пути основного магнитного потока в ряде случаев существенно влияет на точность расчетов электропривода, выполненного по системе Г1Ч-АД (например, в нормальной схеме включения при низких частотах или в схеме динамического торможения).

В третьей главе разработано математическое описание низкоскоростного асинхронного двигателя с учетом насыщения магнитной цепи и методики выбора рационального числа витков обмотки статора низкоскоростного асинхронного двигателя.

Для подтверждения основных результатов диссертационной работы были использованы два асинхронных двигателя, имеющие одинаковые геометрические размеры, но рассчитанные на разные напряжения (первый - на

-13127 В, второй - на 380 В фазного напряжения), то есть отличающихся только числом витков обмотки статора (примерно в 3 раза). Установлено и экспериментально подтверждено, что в расчетах низкоскоростного АД можно использовать полученную ранее кривую намагничивания, построенную в относительных единицах. Предложенное математическое описание позволяет производить расчеты такого низкоскоростного АД с учетом насыщения магнитной цепи, используя параметры и известную кривую намагничивания для базового АД.

1 ы

"1 (■= 10 Гт Ь.жгп: и. = юдП

£=5 Гц;*а= 1Л!= 64В 1 1 (—

Л м

1/с,и

V.—-

15-

¿=101^*1.^3,0; Ус =

104В

16 Км 20

а)

_л

А ,0

1,,А

\

у5Гц

У /•• ^ 25 Гц

^50 Гц

М.Нм 50 Гц 1 !

— 25 П 1

V 5 Гц 1 1

0.75 I, С 1

0.4 IС 0.5

Рис. 4. Электромеханические (а) и механические (б) характеристики для двигателя типа 5А90Ь6КУЗ (380/660В), зависимости тока статора /,(/) (в) и момента М{г) (г) при частотном пуске двигателя типа 5А90Ь6КУЗ (127/220В)

-10 -9 8 -7 -6 -5 -Л -3 -2 -1 О

Рис. 5. Статические механические характеристики (а) и зависимость момента М(1) (о) при динамическом торможении двигателя типа 5А90Ь6КУЗ (127/220В)

-14В работе получены расчетные формулы для ряда переменных низкоскоростного АД, в частности, для механической и электромеханической характеристик

---(3)

а0а5Х1.6К «,б а Л0 °"б - + ^а\,6+а'г,6 У

и, ь

+Г_ (4)

К,б «'-,6 °"б - + (■5«',,б+«'г,б)2 в которых учтено, что параметры Х1б, стб, а'5б, а'г6 соответствуют базовому двигателю и не зависят от значения ка, которое определяется отношением чисел витков низкоскоростного и базового двигателей ка = / м>5.

Также была получена зависимость параметра ка от напряжения питания при заданном критическом моменте

К =и.

1Др(1-аб)

а+

^1 + аЪУХ+а%)

(5)

Л',б ".5,6

где Мхр.з - заданный критический момент двигателя.

В процессе исследований установлено, что свойства электропривода с низкоскоростным АД существенно зависят от числа витков обмотки статора. Поэтому значительное внимание уделено рациональному выбору числа витков обмотки статора (то есть параметра ки). В работе рассмотрены вопросы рационального определения параметра ки для двух важных случаев: первый -получение минимально возможного тока статора при заданном моменте, второй - увеличение номинального момента АД.

Выявлено, что при увеличении напряжения прямо пропорционально параметру ка механическая характеристика остается неизменной (также постоянным остается критический момент), а ток статора снижается. Используя выражение для напряжения при условии постоянства критического момента, можно определить значение ка, при котором ток статора будет минимальным. Максимальное значение ки соответствует точкам излома на графиках (рис. 6), выше которых критический момент двигателя будет снижаться из-за ограничений по напряжению питающей сети, как правило, значением 220 В.

На рис. 6, б приведены зависимости Мкр\ки) = Мкрл(ки) / Мкр,6; 1\ (ки) = /1,т(^и)//|,н.б и АР, = Л/>1Д(£и) / ДР1.6, которые позволяют при заданной частоте проверить возможность использования соответствующего низкоскоростного АД в безредукторном электроприводе по условиям нагрева, снижения тока и/или увеличения критического момента.

для двигателя тииа 4А13256УЭ (Р„ш,б = 5,5 кВт)

В диссертации разработаны две методики рационального выбора числа витков обмотки статора низкоскоростного АД.

Методика I. Получение минимально возможного значения тока при постоянном критическом моменте, равном критическому моменту на естественной характеристике базового двигателя:

- согласно технологическим условиям задаются частотой питающей сети, на которую рассчитывается двигатель;

- по формуле (5) определяют параметр ки, соответствующей критическому моменту базового АД на естественной характеристике;

- для полученного значения ка проверяют двигатель по условиям нагрева

3/ 1.т~#1.т < З/ном.б'^! о, (6)

где /?1х„ - активное сопротивление статора соответственно базового и низкоскоростного двигателей, /ном.б ~ номинальный ток базового двигателя, /|.т- ток статора низкоскоростного АД при заданном моменте нагрузки;

- определяют необходимое число витков обмотки статора низкоскоростного двигателя по формуле

Щ = ^макс^б. (7)

Методика II. Увеличение критического момента низкоскоростного двигателя относительно базового на естественной характеристике:

- согласно технологическим условиям задаются частотой питающей сети, на которую будет рассчитываться двигатель;

- задаваясь повышенным (по сравнению с естественной характеристикой базового двигателя) значением критического момента Л/кр,3 по формуле (5) находят соответствующее значение параметра к0;

- проверяют двигатель по условиям нагрева согласно (6);

- если условия нагрева не выполняются, следует изменить значение заданного критического момента и повторить расчет параметра ка до тех пор, пока не будет выполнено условие нагрева (6);

- определяют необходимое число витков обмотки статора низкоскоростного двигателя по формуле (7).

При выполнении обмотки статора низкоскоростного АД согласно предложенным рекомендациям имеет место снижение тока статора и/или увеличение критического момента (или перегрузочной способности) двигателя, что позволяет выбрать для электропривода с низкоскоростным АД преобразователь частоты, рассчитанный на меньшую мощность.

В четвертой главе на основе разработанных методик (приведенных в третьей главе) произведен выбор числа витков (параметра к„) для трех лифтовых механизмов: приводного механизма дверей кабины, лебедки пассажирского лифта и лебедки грузового лифта.

Для привода дверей кабины лифта в работе было получено выражение, позволяющее выбрать диаметр шкива, при котором у применяемого АД будет отсутствовать генераторный режим с передачей энергии от двигателя к тормозному резистору

В >

РК

Л-/г

П>

2Л,

^Д® /гр /ном \/ V тг \ *

{\-а)(Х0+Хх)

Для приводного двигателя каждого из указанных механизмов в диссертации рассмотрено несколько вариантов определения параметра ки, из которых в настоящем автореферате приведен пример выбора числа витков для безредукторного привода грузового лифта с прямым подвесом. В качестве базового двигателя для выбора числа витков обмотки статора низкоскоростного двигателя используется АД типа 4А28054, для которого: Рит,.о= 1Ю кВт и номинальный момент Мшм.б= '/Г/ Нм. На зависимости и =/ (ки) (рис. 7, а) точка II соответствует значению параметра ка.МКС ~ 13,1, рассчитанного согласно методике II с увеличением критического момента (в данном случае Мюм.т = 2,6 Мном.а и Л/к.т = 2,6 Л/к.5 - см. рис. 7, а-б). На рис. 7, б-в приведены механические и электромеханические характеристики. Точки Л^ и Л^ на графиках соответствуют номинальным режимам базового и низкоскоростного двигателей. Из электромеханических характеристик рис. 7, в видно, что номинальный ток статора низкоскоростного АД /но>1.т= 15,3 А в 12,7 раза ниже номинального тока базового АД (см. табл. 2).

Окончательный выбор варианта низкоскоростного двигателя следует производить на основании технико-экономических расчетов с учетом стоимости асинхронного двигателя и преобразователя частоты.

Таблица 2. Номинальные данные базового и соответствующего низкоскоростного двигателей для привода лебедки грузового лифта с прямым подвесом

Тип дви-

гателя

Базовый двигатель

мощность Рг.б, кВт

4А28084 110

ток /.б, А

194

момент Л/б, Нм

Параметр К найден по методике

1

717

II

13,1

Низкоскоростпой двигатель

мощность Рг.т, кВт

3,2

ток

/|.т, А

15,3

момент Л/т, Нм

1613

250 В 200

150 100

50-

и---- 220 В - - ----- ---

У

"-2,6 = ШМж*

*Ц

10

15

20

25

а)

51

1/С

+

3 2' 1

Ш Ми о м,т = 2,6 Мком.б

Лт

200

100

ггвенная

№ ........1.

ка= 13,1; 1/с = 2205^''

М

о

1.10'

110-'

зло3 Нм 4«105б)

5-1/С 43 21 1

га кохл! 12,7

-кг

Мг

200

100

V« 7"

ДГТ естес 1......... гвенная

150

300

- ки= 13,1; 17с = 220В

10

20

30

40 А 50

в)

Рис. 7. Привод лебедки грузового лифта с прямым подвесом: выбор параметра ки по //-ой методике (а), механические (б) и электромеханические (в) характеристики для низкоскоростного двигателя типа 4А280Э4УЗ (Люи.б =110 кВт)

В результате проведенных исследований выявлено, что максимально снизить габарит низкоскоростного двигателя можно путем выбора базового двигателя с наименьшим числом пар полюсов. Выбор рационального значения параметра ка согласно предложенным в работе методикам позволяет существенно снизить ток статора низкоскоростного двигателя и использовать в безредукторном приводе с таким двигателем преобразователь частоты, рассчитанный на меньший ток.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что полученные в процессе экспериментальных исследований для асинхронных двигателей мощностью 1^-55 кВт кривые намагничивания в относительных единицах близки друг к другу. По результатам экспериментальных исследований также установлено, что полученная в работе обобщенная кривая намагничивания позволяет выполнять расчеты статических и динамических характеристик асинхронного электропривода в широком диапазоне изменения мощностей (до 50-г60 кВт) и частот (до 100 Гц).

2. Разработанное в диссертации математическое описание асинхронного электропривода (система дифференциальных уравнений и выражения для статических характеристик) позволяет с использованием стандартных программ для персонального компьютера (например, в математическом пакете МаШСас!) производить расчеты переходных процессов и установившихся режимов электропривода с учетом насыщения магнитной цепи по пути основного магнитного потока как для типового, так и для низкоскоростного асинхронных двигателей.

3. Предложенные способы рационального выбора числа витков обмотки статора обеспечивают существенное снижение тока статора низкоскоростного асинхронного двигателя, что позволяет использовать для безредук-торных электроприводов преобразователи частоты минимально возможной мощности.

4. Выявлено, что предложенные методики дают возможность определить число витков обмотки статора, при котором номинальный момент низкоскоростного асинхронного двигателя превышает номинальный момент базового двигателя.

5. Предложена формула для определения диаметра шкива, при котором в безредукторном электроприводе дверей кабины лифта с асинхронным двигателем небольшой мощности отсутствует тормозной резистор. Также установлено, что в безредукторных асинхронных электроприводах мощность тормозных резисторов значительно меньше, чем в редукторных.

fö

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

[1] Масандилов Л.Б., Новиков С.Е., Кураев Н.М. Особенности определения параметров асинхронного двигателя при частотном управлении. // Вестник МЭИ, №2. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - С. 54-60.

[2] Масандилов Л.Б., Галкин A.A., Новиков С.Е. Безредукторный частотно-управляемый электропривод с низкоскоростным асинхронным двигателе,«. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч.З. - С. 83-89.

[3] Масандилов Л.Б., Новиков С.Е. Расчеты статических характеристик асинхронного двигателя // Электропривод и системы управления: Труды МЭИ. Вып. 683.-М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - С. 15-24.

[4] Масандилов Л.Б., Новиков С.Е., Тепляков А.Н. Учет насыщения магнитной цепи при расчете характеристик асинхронного электропривода // Электропривод и системы управления: Труды МЭИ. Вып. 686. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 39-53.

[5] Новиков С.Е. Программа расчета и построения статических характеристик асинхронного двигателя. // Тринадцатая Междунар. науч.-технич. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. В 3 т. Т. 2. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - С. 136-137.

[6] Галкин A.A., Новиков С.Е. Безредукторные электроприводы пассажирского лифта с применением тихоходного асинхронного двигателя // Шестнадцатая Междунар. науч.-технич. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. В 3 т. Т. 2. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 126-127.

[7] Новиков С.Е., Масандилов Л.Б. Программное средство учебного назначения. Программа «Расчета и построения статических характеристик асинхронного двигателя при постоянных параметрах схемы замещения и с учетом насыщения магнитной цепи». М.: МЭИ, 2006.

Печ. л.: 1,25

Тираж:100

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

Заказ: %

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Особенности определения параметров асинхронного двигателя при частотном управлении

1.2. Применение безредукторных электроприводов.

1.3. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ

2.1. Математическое описание асинхронного двигателя с учетом насыщения магнитной цепи

2.2. Экспериментальное определение кривых намагничивания при разных частотах.

2.3. Математическое описание асинхронного электропривода в основной схеме включения

2.4. Математическое описание асинхронного электропривода для схемы динамического торможения

2.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ЧИСЛА ВИТКОВ ОБМОТКИ СТАТОРА НИЗКОСКОРОСТНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

3.1. Расчет характеристик низкоскоростного асинхронного электропривода.

3.2. Определение числа витков обмотки статора по условию получения минимального тока статора.

3.3. Определение числа витков обмотки статора по условию получения наибольшего значения номинального момента

3.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ПРИМЕРЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ЛИФТОВЫХ МЕХАНИЗМОВ С НИЗКОСКОРОСТНЫМИ АСИНХРОННЫМИ

ДВИГАТЕЛЯМИ

4.1. Электропривод дверей кабины лифта.

4.2. Электропривод лебедки пассажирского лифта.

4.3. Электропривод лебедки грузового лифта.

4.4. Выводы по главе.

Для получения низких частот вращения рабочих механизмов часто используются электроприводы, в которых двигатель передает движение исполнительному валу через редуктор. Редуктор обладает рядом недостатков, среди которых можно выделить: повышенные требования к качеству изготовления механических узлов и деталей, шум и вибрации при работе, необходимость в периодическом техническом обслуживании и дополнительные потери энергии.

В результате существенных достижений в развитии силовой и информационной электроники, а также прогресса в разработке систем регулируемого электропривода переменного тока, в настоящее время во многих областях промышленности наметилась тенденция перехода к безредукторным приводам, которые работают при низких частотах и не требуют наличия редукторов. В большинстве зарубежных стран в безредукторных приводах применяются синхронные машины с постоянными магнитами в режиме вентильного двигателя.

Важно отметить, что поскольку с каждым годом увеличиваются масштабы применения регулируемых электроприводов, выполненных по системе преобразователь частоты — асинхронный двигатель, большой интерес представляет исследование, разработка и использование безредукторных приводов с асинхронными двигателями, которые имеют преимущественное распространение в промышленности и, в частности, в лифтовых установках. Для безредукторного электропривода был разработан, имеющий повышенное число витков обмотки статора [78], отечественный низкоскоростной асинхронный двигатель, в исследованиях которого автор настоящей диссертации принимал участие. Разработанный низкоскоростной асинхронный двигатель имеет ряд существенных преимуществ перед импортными аналогами.

Низкоскоростной асинхронный двигатель работает при пониженных частотах. Для выполнения расчетов электропривода с этим двигателем необходимо разработать обоснованное математическое описание статических и динамических режимов его работы с учетом влияния на них различных факторов.

Вследствие того, что для ряда отраслей промышленности имеется большая потребность в использовании электроприводов, не содержащих редукторы, безредукторные электроприводы, выполненные по системе преобразователь частоты — низкоскоростной асинхронный двигатель, должны получить широкое применение, их исследование и разработка представляет значительный научный и практический интерес.

В соответствии со сказанным целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка способов, алгоритмов и программного обеспечения для математического описания частотно-управляемого электропривода с низкоскоростным асинхронным двигателем при учете и без учета насыщения его магнитной цепи, а также разработка методик по выбору рациональных параметров электропривода.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что полученные в процессе экспериментальных исследований для асинхронных двигателей мощностью 1-^-55 кВт кривые намагничивания в относительных единицах близки друг к другу. По результатам экспериментальных исследований также установлено, что полученная в работе обобщенная кривая намагничивания позволяет выполнять расчеты статических и динамических характеристик асинхронного электропривода в широком диапазоне изменения мощностей (до 5СН-60 кВт) и частот (до 100 Гц).

2. Разработанное в диссертации математическое описание асинхронного электропривода (система дифференциальных уравнений и выражения для статических характеристик) позволяет с использованием стандартных программ для персонального компьютера (например, в математическом пакете МаШСас!) производить расчеты переходных процессов и установившихся режимов электропривода с учетом насыщения магнитной цепи как для типового, так и для низкоскоростного асинхронных двигателей.

3. Предложенные способы рационального выбора числа витков обмотки статора обеспечивают существенное снижение тока статора низкоскоростного асинхронного двигателя, что позволяет использовать для безредукторных электроприводов преобразователи частоты минимально возможной мощности.

4. Выявлено, что предложенные методики дают возможность определить число витков обмотки статора, при котором номинальный момент низкоскоростного асинхронного двигателя превышает номинальный момент базового двигателя.

5. Предложена формула для определения диаметра шкива, при котором в безредукторном электроприводе дверей кабины лифта с асинхронным двигателем небольшой мощности отсутствует тормозной резистор. Также установлено, что в безредукторных асинхронных электроприводах мощность тормозных резисторов значительно меньше, чем в редукторных.

1. Архангельский А.Я. Программирование в Delphi 2006. М.: Издательство БИНОМ, 2006. - 1152 с.

2. Архангельский Г.Г. Современные тенденции и перспективы развития лифтостроения // Стройпрофиль №7, 2008. С. 94-96.

3. Архангельский Г.Г., Вайнсон A.A., Ионов A.A. Эксплуатация и расчет лифтовых установок. М.: МИСИ, 1980. 128 с.

4. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А.Соболенская. -М.: Энергоиздат, 1982 504С.

5. Афонин И.В. К вопросу о безредукторных приводах лифтов // Лифт №6, 2009.-С. 53-57.

6. Афонин И.В., Родионов Р.В. Моделирование работы безредукторного электропривода лифта // Лифт № 2, 2009. С. 42-46.

7. Богородицкий М.Д. и др. Привод раздвижных дверей кабины лифта. Авторское свидетельство № 1648877. Заявка №4694818. Приоритет изобретения 5 апреля 1989.

8. Бозорт P.M. Ферромагнетизм. Пер. с англ. Под ред. Е.И. Кондорского и Б.Г. Лифшица. М.: Изд. иностр. лит., 1956. 784 с.

9. Бродский М.Г., Вишневецкий И.М., Грейман Ю.В. Безопасная эксплуатация лифтов. М.: Недра, 1975. 124 с.

10. Бутырин П.А. и др. Элекротехника. Книга 2: Элекрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления. Челябинск-Москва Издательство ЮУрГУ, 2004. — 711 с.

11. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. — М.: Энергия, 1977.-432 с.

12. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока // ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». Иваново, 2008. -298 с.

13. Виноградов H.B. Обмотки электрических машин. JL: Государственное энергетическое издательство, 1946. 110 с.

14. Волков Д.П., Ионов A.A., Чутчиков П.И. Атлас конструкций лифтов. М.: Машиностроение, 1984. 60 с.

15. Волков Д.П., Чутчиков П.И., Прокофьев А.К. Диагностирование узлов и подсистем лифтов. М.: Стройиздат, 1981. 128 с.

16. Вольдек А.И. Электрические машины. JL: Энергия, 1974. 832 с.

17. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока. Учебник для вузов. Санкт-Петербург: Питер, 2008. — 350 с.

18. Вонсовский C.B., Шур Я.С. Ферромагнетизм. М. Л.: Гостехиздат, 1948.-816с.

19. Выгорский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Изд-во ACT, 2006.-991 с.

20. Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов: Справочник. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980.-364 с.

21. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. М.: Высшая школа, 2000.-255 с.

22. Гольдберг О.Д., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. Изд 3, переработанное М.: Высшая школа, 2006. — 431 с.

23. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введен 01.01.2001.

24. ГОСТ 22011-95. Лифты пассажирские и грузовые. Технические условия. Введен 01.01.1997.

25. ГОСТ Р 51631-2000. Лифты пассажирские. Технические требования доступности для инвалидов. Введен 01.07.2001.

26. ГОСТ Р 53388-2009. Лифты. Устройства управления, сигнализации и дополнительное оборудование. Введен 01.07.2010.

27. ГОСТ Р 53780-2010. Лифты. Общие требования безопасности к устройству и установке. Введен 14.10.2010.

28. Данилевич Я.Б., Домбровский В.В., Казовский Е.Я. Параметры электрических машин переменного тока. Л.: Наука, 1965. - 340 с.

29. Дворак Н.М., Голиков С.П. Моделирование режимов работы установок отбора мощности при пониженной частоте вращения вала приводного двигателя. Електротехшчш та комп'ютерш системи №56, 2001.

30. Дмитриев В.Н. Проектирование и исследование асинхронных двигателей малой мощности. Ульяновск: УлГТУ, 2006. 92с.

31. Ермишкин В.Г. Техническое обслуживание лифтов. М.: Недра, 1977. — 326 с.

32. Жолудев И.С., Макаров Л.Н., Масандилов Л.Б., Фумм Г.Я. Безредукторный лифтовый привод // Лифтинформ, 2008. № 10 (133). С. 75 79.

33. Зимин В.И. и др. Обмотки электрических машин. Изд. 6-е, переработ, и доп. Л.: Энергия, 1970. — 472 с.

34. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. В 2-х т.: учебник для вузов. // А. В. Иванов-Смоленский. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2004. - 532с.

35. Ивашков И.И., Бовин Г.М. и др. Подъемники. М.: Машгиз, 1957.-312 с.

36. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 224 с.

37. Ильинский Н.Ф. Регулируемый привод сегодня. Регулируемый электропривод. Опыт и перспективы применения // Доклады научно-практического семинара, 2 февр. 2006 г. М.: Издательство МЭИ, 2006.39