автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование одноосного эффекта в асинхронных двигателях и разработка устройств для его компенсации

Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт (Технический университет)

На правах рукописи

Алиев Али-Магомед Ибрагимович

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНООСНОГО ЭФФЕКТА В АСИНХРОН-. НИХ ДВИГАТЕЛЯХ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЕГО КОМПЕНСАЦИИ

Специальность 05.09.01 - электрические машины.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации: на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена во Всероссийском ордена Знак Почета сельскохозяйственном институте заочного обучения.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

Защита состоится 1994 г, в/У-"Часов. в

ауд. /И - на заседании специализированного Совета-K053.I6.04. в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революция энергетическом институте. .

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Мойква, Н-250, Красноказарменная ул., дал 14, Ученый Совет МЭИ.

С дисссртавдей можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (МЗИ).

Автореферат разослан "2%." 04 199^ г.

- член-корреспондент АЩ, доктор технических наук, профессор Мамедов Ф.А.

- доктор технических наук, профессор Беспалов В.Я.

- кандидат технических наук, ст.преподаватель Литвин В.й,

- ВНШТИЭМ г.Владимир.

Ученый секретарь специализированного /

Совета Морозов В.А.

Общая характеристика работы.

Актуальность теш.

Динамические режимы асинхронных двигателей (АД) исследованы юсьиа широко. Однако необходимость увеличения срока службы, гсовыше-[ие требований к характеристикам двигателей а надежности работа от-¡етственных механизмов является причиной того, что к дгша-лпчесюг,! >екимам асинхронных двигателей предъявляют все более жесткие тре-$ования.

Следует отметить, что если динамика асинхронного двигателя о ¡есимметрией со стороны статора изучена достаточно основательно, со динамика асинхронного двигателя с несишетриями ротора различ-юго рода, возникающими из-за несовершенства технологии, а также з процессе эксплуатации, исследована недостаточно полно. Это отно-зятся к вопросам изучения влияяия параметров двигателя с упомянутой яесимметрией на процесс пуска, эяергообмена в двигателе при несшл-аетрии ротора, повышения надежности асинхронного двигателя с неекм-¡летрией ротора в динамических режимах, а также разработке простых и эффективных устройств, учитывавдих повышение надежности его работы и более -высокий срок службы при наличии одноосного эффекта.

В связи с изложенным представляется актуальным выполнения работ по анализу влияния одноосного эффекта в асинхронном двигателе на динамику его пуска, исследованию надежности работы АД в динамических режимах, а также по разработке способов и устройств для компенсации одноосного эффекта. Такой практически реализованный комплекс работ может дать ощутимый технико-экономический эффект. Особенно 0!дутимый экономический эффект будет иметь место для погружных двигателей, работающих на больших глубинах, так как их изъятие на поверхность и ремонт сопряжен с большими'материальными затратами, а продолжение их срока службы с оборванными стержнями позволит повысить та ресурс работы.

Цель работы. Исследование динамических режимов работы асинхронного двигателя при несимметрии роторной цепи и разработка устройств, повышающих надежность работы асинхронных двигателей с несимметричным ротором путем компенсации одноосного эффекта.

Основные задачи. Для достижения поставленной дели потребовалось решить следующие задачи:

- разработать математические модели и на их основе исследовать динамические режимы асинхронных двигателей с несимметричным ротором;

- в результате исследований динамических режимов АД с несимметричным ротором выявить их особенности по сравнению-с симметрии ищи режимами;

- исследовать влияние выявленных особенностей на надежность АД, определить наиболее опасные факторы' и направления их нейтрализация;

- разработать пути формирования условий пуска АД с несимметричным ротором;

- предложить методику выбора оптимальной защиты АД на основе теории статистических решений;

- предложить устройства для формирования условий пуска АЛ с несимметричным ротором.

Методы исследований. Исследования проводились:

- аналитическими методами с использованием теории обобщенного электромеханического преобразователя знергяи и теории электр магнитного поля; •

- методами математического моделирования на ЭВМ путем числен ного решения дифференциальных уравнений асинхронного двигателя, полученных на основе обобщенной теории электромеханического преоб разования анергии;

- методами математического планирования эксперимента для оценки влияния параметров двигателя на его электромагнитный враща щий момент;

- метода,-,ш физического моделирования на экспериментальной установке;

- методами исследования операций в том числе и задачи теории статистических решений.

Научная новизна. На основе проведенных теоретических и зкспе ряменталышх исследований получены следующие основные результаты, выносимые на защиту.

I. Предложена математическая модель аскнзфонного двигателя, учитывающая произвольную степень электрической неслмметрии ротора

пуске для различных степеней несимметрии ротора м, а> ПриЯгаЯл; при = } СО зри

= 5 где/г^^ - сопротивления по осям ОС, у, ротора.

На рис.2 представлены кривые мгновенных значений токов при пуске симметричного двигателя и при несимметрии в цепи ротора, выражающейся соотношением ¿Кос. Расчеты показывают, что кривая электромагнитного момента при увеличении несимметрии в роторной цепи испытывает существенные колебания, имеет явно выраженную апериодическую составляющую, которая к окончанию пуска стремится к нулю, тогда как периодическая составляющая момента испытывает колебания определенной частоты, зависящие от степени несимметрии ротора. При несимметрии ^/цыг 4 и йолее Двигатель не в состоянии разогнаться до номинальной скорости. Кривая частоты вращения ротора имеет отрицательные ускорения, обусловленные "провалами" в гфивой электромагнитного момента. Частота его вращения ограничивается величиной около 0,6 одн • При этом наблюдается биение токов в статоре. Амплитуда биений возрастает с увеличением степени не-симметриа ротора. По мере разгона двигателя амплитуда тока статора снижается, оставаясь, однако, в 3-4 раза больше, чем амплитуда тока статора двигателя с симметричным ротором.

При помощи математической теории планирования эксперимента получена зависимость влияния параметров асинхронного двигателя на величину "провалов" электромагнитного вращающего момента.

По результатам имитационного эксперимента с дробным факторным планом типа 2^ получен апрвксимирующий полином

м ж - о, -0,62911*- о,М5\7-0,1/5*-0,«6 Гх^х +

+ о,о&ЗГ4 о,охЪво*о,ог гх3*40&5 2хв0*о,{(+ ;

Из анализа видно, что на величину "провала" электромагнитного вращающего момента двигателя в процессе его пуска в большей степени в пространстве выбранных вариаций параметров влияют величины активного сопротивления ротора и начальный угол положения ротора относительно оси фазы статора.

Энергообменные процессы по существу полностью определяют поведение машины в том или ином режиме. Под энергообменныш процессами в асинхронной машине здесь понимаются процессы, связанные с потреблением из сети, взаимопревращением и влиянием на электромагнитный момент и частоту вращения двигателя электромагнитной и

кинетической энергии машины. Для исследования этих процессов к магеыагичесхой модели двигателя добавлены уравнения:

Ра»Ке[л»1М.| ] ;

р = Р„ '

П>М и>1 Э )

и/э» £ Рэ а1;

\//к = £ Рэм сИ , где: Рэ - активная потребляемая мощность;

Ра* - электромагнитная мопщость; ■ - электромагнитная энергия; кинетическая энергия.

Для понимания физических явлений при энергообмешшх процессах удобно использовать понятие о токовом слое в воздукном зазоре. Легко представить, что плотность токового слоя и, следовательно, магнитная индукция в симметричной маиине равномерны во всем .воз-душ ом зззоре. Соответственно и передача электромагнитной энергии от статора к ротору через воздушный зазор осуществляется равномерно по .всему воздушному зазору. При появлении несямметрии ротора, например, из-за обрыва стершей, вследствие перераспределения токов в неповреадеяных стержнях, плотность токового слоя в зоне оборванных стержней-уменьшается, так как обрыв стсрлией эквивалентен увеличению сопротивления для токового слоя в зоне обрыва. Уменьшение плотности токового слоя эквивалентно уменьшения амплитуды вектора магнитной шдукцш в воздушном зазоре во вращающейся зоне обрыва стержней* Это означает, что через зону передается меньшая электромагнитная энергия. При симметричном напряжении статора это явление проявляется внешне в виде "биения" токов статора. Расчета, выполненные на-ЦВМ, подтверждают характер изменений электромагнитной и кинетической энергии. Анализ энергообменлюс процессов при яуске асинхронного двигателя с несимметричным ротором показывает, что пуск является успешным, если в начальном этапе двигателем запасена достаточная электромагнитная' энергия. Накопление ее двигателем дает возможность формировать пуск даже при существенной несимметрии в роторной цепи. Установлено, что в пределах изменения

частоты вращения ротора от 0,5 до I o.e. на процесс пуска оказывает влияние асимметрия приложенных к статору напряжений, что отбывает возможность для формирования условий пуска.

В третьей главе проведен анализ надежности АД с оборванными стержнями ротора в динамических рек имах. Из анализа динамических режимов двигателя с несимметричным ротором показано, что основ- • ним фактором, влияющим на надежность двигателя является дополнительный нагрев машины из-за возросших токов в статоре и роторе.

Б качестве параметра, характеризующего надежность обмотки, принята средняя скорость теплового износа._

Получено математическое выражение, связывающее скорость теплового износа изоляции и параметра теплового режима. Совместное рассмотрение уравнения теплового баланса и уравнений электромеха-| ' каческого переходного процесса позволило проанализировать нестационарна тепловой процесс при пуске двигателя с оборванными стержнями ротора.

Определено, что тепловой износ изоляции машины со степенью иесдаметрии, выражаемый величиной et, во время пуска в 1,3

ра'за выше, чем у симметричной каа;шы.

• Четвертая глава посвящена проблеме компенсации одноосного • ' эффекта при пуске асинхронного двигателя.

Проведенный анализ одноосного эффекта на основе кривой электромагнитного вращающего момента, изменения токов статора и ротора, а также скорости вращения ротора по формированию дагоприят-ных условий пуска,асинхронного двигателя с несимметричным ротором показывает, что задача сводится к тому, чтобы-уменьшить отрицательные провалы электромагнитного момента при пуске двигателя, или отрицательное значение электромагнитного момента на период провала сделать равным нулю, а еще лучше преобразовать его в по. ложигельннй. Таким образом, формирование плавного пуска асинхронного4 двигателя с несимметричным ротором можно провести, если:

1) токи статора или токи ротора на время "провала" будут раз ными нулю или будут иметь минимальные значения;

2) векторы токов статора' и ротора на период проявления одноосного аффекта займут такое взаимное положение, при котором их векторное произведение не будет отрицательным и не равным нулв.

По-видимому легче всего сделать так, чтобы ток статора или ротора двигателя с фазным,ротором был бы равен нуля, путем коммутации цепей статора пли ротора на период провала или уменьшить напряжение на зажимах двигателя на этот период до значения, когда токи статора и ротора будут иметь положительное значение.

Для формирования положительного векторного произведения токов статора и ротора необходимо "скачком" изменить фазы этих токов путем включения на время провала фазасдвиганщих элементов, например , емкостей.

На рис.3 представлены результаты расчета переходных процессов пуска двигателя, формируемые путем "срезания" отрицательных значений моментов при условии, что степень несимметрии обмоток ротора по осям et и определяется соотношением =8R<* . Данному условия без коммутации цепей статора соответствуют кривые М (i) 03 (t) . Попытка "срезания" первого отрицательного пика момента путем уменьшения напряжения на статоре до величины 0,fUn положительного результата не дает. Более того, при восстанозленпи напряжения момент испытывает существенный отрицательный бросок, а в кривой о> появляется глубокий "провал" (кривые М'(1) и cö'CO • Это связано с тем, что в начальный период гтуска идет интенсивное "запасание" электромагнитной энергии из сети, которая на последующих этапах пуска преобразуется в избыточную кинетическую, обеспечивающую разгон двигателя. Снижение напряжения статора на начальном этапе пуска ( сО<о,5"приводит к генераторному тор.мояенгао, что и проявляется в виде изменения знака момента и "провала" частоты,вращения. Восстановление напряжения до номинального в последующем не приводит к улучиению условий пуска, что и иллюстрируют кривые M'(i) и со'({) . Благоприятные условия пуска получаются, если "срезание" отрицательных моментов осуществлять на втором этапе пуска, когда' частота вращения двигателя с. Процесс пуска существен- . ным образом изменяется, если снизить напряжение на статорной обмотке до 0,1 Uн , а затем восстановить его до но,'.стального. На рис.3 представлены кривые Aj"(i) и co"(t) , полученные при условия, что в момент времени fc = 0,19с напряжение на обмотке статора снижается до 0,1 U«. а в момент времени -fc = 0,21с восстанавливается до JJm .

Как видно из рис.3 двигатель при этом разгоняется до номинальной частоты вращения, при этом отсутствует его неустойчивая работа.

о> Мае.

Рис.3. Временные диаграммы пуска двигателя со "срезанием" отрицательного момента.

Таким образом, при той se существенной несимметрии ротора пуск двигателя путем "срезания" отрицательных значений момента, является успешным.

В качестве другого способа улучшения условий пуска двигателя с поврежденной обмоткой ротора предлагается подключение к статору емкостей. На математической модели макгаш с неснлметрией ротора (i. ) исследовалась имитация включения различных емкостей, обеспечивающих сдвиг фазы тока статора на различные угли (соответственно на 15,30,60,90,120 и 180 эл.град.). Анализ показывает, что по мере увеличения подключаемой емкости и увеличения сдвига фаз, условия пуска улучшаются я становятся наиболее благоприятными при включении емкости, обеспечивающей угол 90 эл.град.

В качестве еще одного способа улучшений условий пуска двигателя с несимметрией в роторной цепи предлагается переключение фаз напряжений на-зажимах статора на 120 эл.град. Переключение производится в процессе пуска двигателя при достижении ил полусинхронной скорости.

Смысл предлагаемого метода заключав тел в следующем. Векторы токоз статора и ротора вращаются в обратные стороны и образуют моменты обратной последовательности, который, собственно, и, создает провалы в кривой момента, величина которого определяется произведением этих векторов. Каядый из этих векторов имеет свою частоту затухания, а время затухания какдого из них определяется коэффициентом затухания, который, в свою очередь, зависит от соотношения параметров и скорости вращения ротора. Электромагнитный момент положителен в том случае, когда векторное произведение зектоуов тока статора и ротора положительное и отрицателен в том случае, когда их векторное произведение отрицательное. Задача сводится к тому, чтобы при пуске электродвигателя с несимметричным ротором, в .момент spe-меяи, когда электромагнитный момент имеет отрицательное значение, • переключить обмотки статора таким образом, чтобы момент 'стал положительным. Оказалось, что это мояно осуществить переключением обмоток статора на 120 эл.град. Следует шлеть в виду, что, видало, возможен поворот на другой, .отличный ог 120 эл.град., угол, но так как осуществить коммутацию на 120 эл.град. легче з смысле технической реализации,- был выбран именно этот угол.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям и выбору защиты в завис;п,!0стк от экономических показателей к на основе теории статистических решений.

По результатам исследований разработаны устройства для формирования улучшенных условий пуска для асинхронного двигателя, имею-¡цего существенную несютетрию в роторной цепи. На рис.4 представлена схема устройства для "срезания" отрицательных составляющих, электромагнитного момента. Она может быть использована для защиты и успешного пуска двигателя при несюшетрии фазных напряжений, а такке при обрыве стержней обмотки ротора в пусковых режимах.

Устройство работает следующим образом. Напряжение на выходе акселерометра 3 пропорционально электромагнитному моменту двигателя, который в переходных режимах в зависимости от несямметрии на-щмекйши, а также наличия обрывов стержней может иметь отрицатель-, ный 3!:ак-. Это напряжение поступает на вход логического переключателя 4, который при появлении отрицательного момента выдает сигнал на кратковременное отключение сиг.мисторов I, что и реализуется посредство:.: блока 5 управления снммисторамк I. Разгон двигателя 2, таким образом, осуществляется под воздействием момента положительного знака: .-"...

. Вместо акселерометра можно использовать аналоговый вычислитель механических величин - вычислитель момента.

Схема устройства защиты двигателя с вычислителем момента позволяет использовать ее в случаях необходимости безвального способа определения величин, пропорциональных электромагнитному моменту в электромеханических системах с труднодоступным валом: погружные . двигатели, встроенные совместно с механизмом и .т.д.

Предложено, также устройство на базе стандартного бесконтактного реверсивного тиристорного пускателя для формирования улучшенных условий пуска двигателя с несимметричным ротором путем переключения фаз напряжения статора в процессе пуска на 120 эл.град. в направлении вращения поля. . : \

В связи с существованием множества защитных устройств от аварийных режимов, выработка рекомендаций по рациональному использованию каждой из выбранных защит в зависимости от аварийного.режима> является актуальной. Для решения этой задачи использована теория статистических решений. . - ^ .. ' • .

я Ч Ч

Ш

ш

\

ч *

Рис.4. Устройство для защиты асинхронного двигателя от работы в аварийных режимах.

В качестве защиты двигателя рассматривались защита тепловым . реле РТЛ, устройство встроенной защиты УЗТЗ, фазочувствительная защита ёУЗ к защита от обрыва стержней, предложенная автором. При этом рассматривались таске аварийные ситуации как: обрыв фазы статора, обрыв стержней ротора, затормаживание ротора, одно и двухфазные короткие замыкания. Разрабатывается матрица 4x4, в качестве элементов которой принимается вероятность срабатывания защит при тех, или иных аварийных режимах. Таким образом, в пространстве координат 4x4 решается задача нахождения оптимальной защиты. Рассматривается три основных критерия решения поставленной задачи: макси-минннй критерий Вальда, минимаксный критерий Сэвидаа и 1фитерий пессимизма - оптимизма Гурвица. При эоом критерий Гурвица применяется в качестве арбитра в случае если критерии Вальда и Севлд,т.а дают предпочтения двум или большему числу различных защит, если " они имевт одинаковые преимущества.

Оонознна результаты работы

1. Установлено, что влияние эксплуатационных и аварийных ре-шов на надежность аеннхроннст двигателей с несимметрией роторной цепи изучено недостаточно полно, хотя многократно подтвержден факт отказов двигателей по данной причине.

2. Получена математическая модель асинхронного двигателя с несимметричным ротором при произвольном сочетании параметров ста-торных и роторных цепей и системы питающих напрякений.

3. Получена регрессионная модель для определения времени пуска асинхронного' двигателя с наекгмзтркей роторной цепи в зависимости от параметров двигателя и начальной фазы питающего напряжения.

4. Подтверждена адекватность двухфазной обобщенной модели АД с несимметричным ротором с результатами расчетов по методу проводимости зубцовых контуров и экспериментальными исследованиями.

5. На основании анализа энергообменных процессов при пуске АД с несимметричным ротором установлены пути формирования пуска электродвигателя. ■ '

6. Предложена методика учета влияния динамических режимов АД с несимметричным ротором на надежность электродвигателя, позволяющая определить показатели надежности по отношению к базисному-тепловому режиму. Методика учитывает дополнительный нагрев электродвигателя, вызванный различной степенью несимметрии ротора.

7. Предложены пути компенсации одноосного эффекта ЛД с несимметричным ротором, предотвращающие застревание двигателя на пониженной скорости вращения ротора и обеспечивающие его быстрый к плавный разгон до номинальной скорости.

8. Предложено устройство для компенсации одноосного эффекта при пуске АД с несимметричным ротором путем "срезания" отрицательных бросков момента.

' 9. Предложено устройство защиты трехфазного асинхронного двигателя с помощью вычислителя механической величины к устройство для переключения фаз статора.

10. На основе теории статистических решений.показана возможность выбора оптимальной защиты путем анализа платежной матрицы.

11. Основные теоретические положения,'выявленные при анализе динамики асинхронных двигателей с несимметричным ротором, подтверждены экспериментальными исследованиями.

12. Разработан пакет прикладных программ для автоматизации расчетов на ЭВМ динамических электромагнитных и тепловых режимов АД с несимметричным ротором и проведения спланированного имитационного эксперимента.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах: . ■■ .

1. Мамедов Ф.А., Алиев А.И., Алиев И.И. Уменьшение одноосного

.эффекта при асинхронном пуско двигателей. // Электромеханика. Изв. вузов - 1390, JS Г2, с.37-41.

2. Алиев А.И., Алиев И.И. Динамические режимы погрршах асинхронных электродвигателей. // Тезисы доклада 5 Зсесоизн. научно-технической конф. "Динамические режимы электрических машин и • электроприводов". Каунас, 1933, с.91.

3. Алиев И.И., Алиев А.И.. К вопросу об энергообыенннх процессах в асинхронном двигателе при несимметричных динамических режимах. //Тезпси .докл. Зсесоазн.конф. к 100-летию изобретения трехфазн.асинхр.двигателя "Современные проблемы электромеханики". Москва, 198Э, с.72.

'4. Маруев С.А., Алиев Л.П. Оптимизация параметров асипхр.двигателей с учетом переходных процессов ипверториого торможения. // Тезисы докл. 6 Всесспзн. научно-техн.конф. "Динамические репикы работы электрич.машш и электроприводов",-Бишкек, 1991, с.8.

5. Мамедов ф., Алиев А. Управление пуском асинхр. двигателей электронасосов при несимметрии ротора. // Тезисы докл. 6 национальной научно-техн.конф,- с международным участием "Регулируемые электрические машины". ЕША-90, Варна, 1930, 0.57.

6. Алиев А.И. Исследование аварийных режимов асинхронных двигателей погружных насосов. // Тезисы докл. Республиканской науч-цо-тзхк.конференцаи. "Перспективы развития электромашиностроения на Украине". Харьков. 1938, с.63.

7. Алиев А.И. Исследование динамики погружных электронасосов при обрывах стержней ротора. // В кн. "Повышение надежности электрооборудования в сельском хозяйстве". Труда ВО!ИЗО, М., 1987, с.20-29.

8. Мамедов Ф.А., Алиев И.И., Алиев А.И. Об одном способе улучше-над пуска асинхронного двигателя с несимметрией в цепи ротора. // Б кд. "Математические модели, средства вычислительной и . преобразовательной техники в электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства". Сборник научн.трудов ВСШО. М., 1990, с. 12-18.

9. Мамедов S.A., Малиновский'А,A«, Алиев А.И. Управление двигателями с вращательным и поступательным перемещениями в динамических режимах работы. // Тезисы докл. Международного научно-техн. семинара "Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в юс работизирован-нои производстве". г.Суздаль, 1993, M.I993, с.75-77.

10. Камедов <i.A., Алиев А.И., Алиев И.И., Шиянак А.И. Устройство для защиты трехфазного асинхронного электродвигателя от работа в аварийных режимах. Авт.свид. CCQP J6 Г660096, опубл.30.06.91, Б.И. » 24. ' '

ва-гигат" Юс За»з 5бз

Типография МЭИ, Красиоказармснн.ая, 13.