автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка и исследование частотно-регулируемых асинхронных двигателей

На правах рукописи / .

АУНГВИН ТУТ

□□3452322

(Мьянма)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.01 -«Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва-2008 г.

7 "I Чл.п

003452322

Работа выполнена на кафедре Электромеханики Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Мощинский Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, проф.

Вильданов Камиль Якубович

кандидат технических наук, ст.научн.сотр.

Петпашп Максим Данилович

Ведущая организация:

ООО «Русэлпром-электропривод», г. Москва.

Защита диссертации состоится «21» ноября 2008 г. в ауд. E-2Q5 в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 . при Московском энергетическом институте (Техническом университете), по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17

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

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан •< 1& >> октября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.15 к.т.н. доцент.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение производительности современных производственных, технологических оборудований в большей мере зависит от применения высокоэффективных автоматизированных электроприводов, обеспечивающих регулирование скорости в широком диапазоне и отвечающих требованиям современной технологии и производственным процессам. В настоящее время в качестве автоматизированных элеэтроприводов все шире используются электроприводы на базе статических преобразователей частоты с асинхронными двигателями (АД).

Если же рассматривать весь предел регулирования, то необходимо учитывать особенности взаимодействия двигателя с преобразователем, что также усложняет задачу разработки и эксплуатации электропривода. Условия эксплуатации частотно-регулируемых АД имеют существенные отличия от двигателей общего назначения, обусловленные спецификой режимов работы, Во-первых, частотно-регулируемых АД работают при изменяющихся в заданных диапазонах, а часто и по заданным законам значениях частоты вращения, частоты тока и напряжения. Во-вторых, частотно-ретулируемые двигатели работают совместно с различными рода полупроводниковыми преобразователями частоты. В-третьих, переходные процессы в таких двигагелях носят не эпизодический, а непрерывный характер, вследствие чего их можно считать нормальными рабочими процессами, которыми необходимо }правлять

Современный уровень требований, предъявляемых к характеристикам регулируемых двигателей, заставляет совершенствовать известные и разрабатывать новые способы исследования стационарных и переходных электромагнитных процессов АД.

В настоящее время, несмотря на стремительное расширение облегай использования частотно-регулируемых двигателей, некоторые вопросы их моделирования и проектирования требуют дополнительного анализа и подробного рассмотрения. Поэтому актуальной является разработка эффективных методов математического моделирования системы полупроводниковый преобразователь - асинхронный двигатель, ориентированных на применение современных вычислительных средств и компьютерных технологий исследований Представляют также интерес вопросы проектирования регулируемых АД, который в свою очередь требуют исследования и анализа тепловых процессов при различных законах управления.

Поэтому создание рациональной математической и тепловой модели электродвигателя и разработка инженерных методов расчетам проектирования является на сегодня своевременной и актуальной задачей, имеющей практическое значение.

Цель диссертационной работы - разработка частотно-регулируемых асинхронных двигателей на основе теоретических исследований схаиионарных и динамических электромагнитных и тепловых процессов, а также компьютерных программных средств, реализующих эти исследования и

3

позволяющих получить не только геометрические параметры и выходные характеристики, но и варьировать полученные результаты для получения оптимальных энергетических показателей.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

- разработка математической модели частотно-регулируемого асинхронного двигателя в фазной системе координат при питании от инвертора напряжения, функционально связывающей параметры регулируемых АД с их характеристиками;

- создание компьютерной модели в среде МАТЛАБ, включая разработку принципов задания параметров, законов изменения и взаимосвязи основных компонент модели, для исследования влияния изменения основных параметров яа выходные характеристики:

- разработка методики определения электрических и тепловых параметров АД при частотном управлении?'

- разработка метода эквивалентных тепловых схем для расчета тепловых процессоз частотно-регулируемых АД и проведение теоретических исследований процессов нагрева на основе этого метода.

- разработка методики проектирования частотно-регулируемого АД. которая позволяет определить главные размеры и основные характеристики для заданного закона управления.

Методы исследования. В работе использованы аналитические, численные и численно-аналитические методы исследования. Исследования базировались на теории дифференциальных у растений, на компьютерных методах моделирования в среде программирования МАТЛАБ. Для анализа тепловых режимов работы АД использована теория нагрева н теория линейных электрических цепей. В качестве математического аппарата используется аппарат матричной алгебры, ориентированный к применению на современных компьютерах. Реализация алгоритмов компьютерной программы выполнена в среде МАТ1.АВ V. 7.0 и МаЛСАО V. 11.

Научная новизна работы заключается в следующем

- проведено комплексное исследование асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в системе со статическим преобразователем частоты.

- предложена математическая модель частотно-регулируемого двигателя, учитывающая эффект вытеснения тока в проводниках обмотки ротора, насыщение магнитопровода и закон управления преобразователем;

- разработан комплекс программ для расчета нестационарных тепловых процессов в частотно-регулируемом двигателе.

- разработана программа проектирования АД, которая позволяет оценить массогабаритные и энергетические показатели и выдать рекомендации по их улучшению.

- исследовано влияние геометрических размеров пазовой зоны, длины статора и числа витков обмотки ротора на величин;/ энергетических

показателей.

Достоверность результатов работы. При решении системы дифференциальных уравнений, описывающих работу системы АД-ПЧ, используется метод Рунге-Кутта в модификации Гира. Расчет тепловых нестационарных режимов АД проведен с использованием эквивалентных тепловых схем замещения. Достоверность теоретических исследований частотно-регулируемых АД с помощью имитационных математических моделей подтверждается сравнением с результатами известными из литераторы.

Практическая ценность:

- разработанные методики и программы расчета, статических и переходных режимов работы позволяют детально исследовать влияние параметров и входного напряжения на энергетические показатели АД при питании от преобразователя частоты, а также повысить точность и достоверность получаемых результатов;

- зависимости превышения температуры от частоты питания яри постоянном моменте позволяют определить диапазон регулирования АД;

- На основании проведенных оптимизационных расчетов, даны рекомендации по выбору консгрукции АД с короткозамкнутым ротором, работающих совместно со статическими преобразователями.

Реализация результатов работы. Рез)льтагы диссертационной работы будут реализованы в Союзе Мьянма при разработке оптимальных частотно-регулируемых зтектроприводов, используемых в технологическом оборудовании сельского хозяйства. Методики расчета тепловых процессов н проектирования частотно-регулируемых АД используются при разработке, изучении и исследовании регулируемых двигателей на кафедре «Электромеханика» МЭИ (ТУ)

Апробация работы. Основные научные и технические результаты были представлены на. Х1-ой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологип, электротехнические материалы и компоненты» (Крым. Алушта. 2006 г); ХП-ой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта. 2008 г). Х1У-ая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, 28-29 феврачя 2008 г. Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литерагуры и приложения. Полный объем работы составляет 152 страницы текста, 57 иллюс граций и 11 таблиц. Список использованной литературы включает 67 наименований.

На защиту выносятся:

-комплекс программ математического моделирования АД-ПЧ с учетом непостоянства параметров при питании от инвертора;

-комплекс пршрамм для расчета стационарных и нестационарных тепловых процессов в АД, позволяющих получить с помощью простых тепловых моделей электродвигателей параметры и характеристики теплового процесса с

достаточной точностью.

-мегодика проектирования частотно-регулируемого АД с короткозамкнутым ротором с учетом диапазонов регулирования, а также закона управления преобразователем частоты.

-метод предварительного поиска оптимальных значений параметров пазовой зоны ротора, длины и числа витков обмотки статора АД, результаты которого представлены в виде ^афических зависимостей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введенииобоснована актуальность темы диссертации, её научная новизна и практическая значимость, сформулированы цель работы, приведено краткое содержание диссертации по главам и сделан обзор о сновных положений работы.

В главе 1 представлены основные принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода, а также описаны основы теории преобразователя частоты для регулируемого электропривода.

Регулирование частоты вращения позволяет плавно и в широком диапазоне изменять скорость врашения АД, сохраняя примерно постоянными потерями в машине на любой искусственной механической характеристике. Для анализа установившихся процессов в АД при переменной частоте используют систему замещения, приведенную на рис. 1.

' ггг

, , ! . п * ч. р с,! н,! Ц—:

| I ! г - !

Рис. 1. Схема замещения АД при переменной частоте Выделено 3 основных подхода регулирования АД. Первым подходом

является закон частотного управления ~ *= const. Простейший способ

частотного управления заключается в изменении величины напряжения, подводимого к АД. пропорционально частоте:

Ъ. - - соп5» (1)

Вторым подходом являются законы частотного управления с постоянством магнитного потока. Для стабилизации полного потока статора при изменении

нагрузки напряжение U, необходимо регулировать так, чтобы скомпенсировать

влияние на величину Э.Д.С. Е< падения напряжения на активном

сопротивлении статора. В замкнутой системе электропривода, построенной на таком принципе компенсации, выполняется условие

Чь^ф---"1 const (2)

Третьим подходо«являются сис темы частотного управления с регулируемым

напряжением. Изменение частоты требует соответствующего изменения

6

напряжения на статорных обмотках U-. Возможны три метода регулирования

напряжения: регулирование напряжения двигателя fía стороне постоянного гока

(регулирование Un), регулирование напряжения двигателя на стороне

переменного тока (после инвертора), регулирование напряжения внутри инвертора.

В качестве источников питания ЛД настоящий время широко распространение получили преобразование частоты модуляционного типа, использующие различные виды широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного напряжения, i Как известно, инвертор является источником высших гармоник, которые

! создают дополнительные потери мощности в АД. Для разработки методик

расчета потерь АД с учетом высших гармоник инвертора была разработана компьютерная модель источника напряжения с ШИМ.

Для анализа влияния высших гармоник ('ú=5,7, i 1,13,15) на потери АД были просчитаны потери в обмо тке статора и ротора, потери в стали, механические и добавочные.

Влияние этих же гармоник (для процентного содержания 5%, 10%, 15%) на КПД показано на рис.2. Как видно из приведенных кривых наибольшее влияние на КПД оказывает 5-ая гармоника напряжения инвертора, что необходимо учитывать при проектировании АД

S2.Sfi ......

82.86 г- - «г 32.84 ' ■ - ^

Sí 9! S? ■ .....

X Í!S SZ7S S27S ИЗ 7* '

i.í> U>\> Ь7Ц> 1-í.íU 1-Э51Э

номер гармоники

Рис.2. Графики зависимости КПД от процентного содержания гармоник напряжения АМН.

Вторая глава посвящена вопросам разработки различных математических моделей частотно-регулируемого двигателя и их сравнительному анализу. Аналитическое исследование процессов в асинхронном двигателе позволило создать математическую модель частотно-регулируемого двигателя в фазной

системе координат статора (а,б,с), и ротора (ар)) с учетом потерь в стали (рис.3). Модель разработана в двух вариантах и включает в первом варианте шесть, а во втором девять дифференциальных уравнений.

Система дифференциальных уравнений векторной форме имеет вид

d's df.

- уравнения напряжений статора

(3)

. _ - . di dt//„. "r dt di

(4)

- уравнения напряжений ротора

dt dt ;. уравнения напряжений контуры вихревых токов (5)

(б)

- уравнения для потокосцеплений статора

V'= -уравнения для потокосцеплений ротора (7)

Ус = 1Л +</'„,;. уравнения для потокосцеплений контуры вихревых токов (8)

Ч'т = £„{'„)■>,„. уравнения для потокосцеплений взаимоиндукции (9)

~ +''+'' - уравнения токов (10)

Электромагнитный момент определяется >равнением

(10)

(U)

(12)

Здесь Us-обобщенный векгшр напряжения статора; 4*3 и Фг - обобщенные

векторы потокосцеплений статора и ротора: !„ 1г - обобщенные векторы токов

статора и ротора; ÍK - обобщенный вектор намагничивающего тока, р - число пар полюсов.

Для решения системы дифференциальных уравнений (3-! 2) в среде MatLab Simulink, создана модель, представленная на рис. 4.

Как известно, во время пуска в стержнях ротора возникают значительные пусковые токи, которые изменяют распределение плотности тока по сечению стержня. В результате активное сопротивление ротора увеличивается, а индуктивное уменьшается. Изменение этих сопротивлений в модели учитывается с помощью коэффициентов Кг и Кх, которые являются функциями угловой частоты вращения ротора cor.

Также в модели учитывается влияние насыщения на индуктивность цепи намагничивания М, для чего в систему вводится нелинейная зависимость М от основного потока \|/т, т.е. M=f(\)/m). Некоторые результаты расчета электромеханических переходных процессов приведены в табл.1-2. Так результаты расчетов пускового режима представлены в табл.1, а результаты расчетов установившегося режима даны в табл.2

Рис. 4.Математическая модель АД в осях а,Ь,с(а,р)

Сравнение показателей пускового режима Таблица._1

25 50 75

1-я 1 2-я модель | модель ! 1-я модель 2-я 1 я ..юдеть 2-я

"Лог] 1,62 1,52 | 3.49 3,6 5,05 5.9

К Г 1 Л о е] 3 057 | 3,33 ! 5.54 I 6,239 8,57 9,1

Рз, [Вт] 1145,5 1224 .¡007,6 2938 53X5

0«, [Бт] 1127,2 1457 3358 3470 611% 6404

Р "" ЦЩ 30,6 13,59 471,! 78,7 2094 1 193 1

'.РЧ 49,5 4» 50 | 51 44 48

^Дое, 0,71 0,64 0.66 , 0 64 1 0,65 0.64

Сравнение показателей установившегося режима Таблица. 2

П [Гц] 25 50 75

1-я | 2-я 1 | 2-я 1-я | 2-я

модель модель модель

'мм 3.63 4,64 3,85 | 3,9 4 69 ! 3,9

70,1 61 80,3 81,3 75 1 83

0.8 0,68 0,74 0 72 0 66 | 0.72

Р «"¿Вт! 6.29 1 17,5 1 93,39 ¡05,71 413,5 258,8

П/ 1 44,97 | 43,1 99,08 99,07 151,6 151,9

Р2, [Вт] 677,86 650,59 1515,4 , 1519 1 2333 2339

гМс1 0,12 3,42 0.24 | 6.77 0,17 10,2

Из таблицы 1 следует, ч го обе модели дают примерно одинаковые результаты расчетов пускового режима Однако потери в стали за время пуска.

рассчитанные по первому варианту модели значительно превышают аналогичные потери второго варианта. С другой стороны компьютерное время расчета по второму варианту в десять раз превышает время расчета первого варианта. На нас взгляд, более адекватно описывает переходные процессы математическая модель второго варианта. Это необходимо учитывать при выборе моделей для разработки быстродействующих систем векторного управления регулируемых асинхронных двигателей. Данная модель позволяет также определять как электрические потери в обмогках статора и ротора, гак и магнитные потери за время пуска

В третьей главе анализируются методы теплового расчета. В настоящее время для исследования нагрева асинхронных машин применяются три основных метода расчета: метод греющих потерь, метод температурного поля и метод эквивалентных тепловых схем (ЭТС).

Нагрев частотно - регулируемых электродвигателей происходит по более сложным законам, нежели двигателей, работающих при постоянных параметрах питания: напряжении и частоте Это обусловлено следующими факторами:

-Потери в отдельных частях двигателя зависят не только от нагрузки на вату, по и от изменяющихся параметров источника питания;

-Конвективные сопротивления, обдуваемых поверхностей электродвигателя изменяются с изменением частоты вращения ротора, причем по различным законам;

-Из-за изменения величины потерь, атакже сопротивлений передачи тепла от одного тела к другому изменяет сч и влияние отдельных составляющих потерь на нагрев обмотки статора.

-Для расчетов потерь создана компьютерная программа, позволяющая рассчитать электрические потери в обмотках статора к ротора, магнитные и добавочные потери. Блок схема программа показана на рис 5. Для определения потерь в данной программе разработана методика расчета потерь на основе разложения несинусоидального напряжения в гармонический ряд ФУРЬЕ и использования для этих гармоник соответствующих схем замещения

Это программа позволяет рассчи тать потери для заданного закона управления и требуемого диапазона регулирования скорост и. Результаты расчета потерь по этой программе для АД мощностью Р2=2.2 кВт приведены на рис.6.

На основе метода эквивалентных тепловых схем (ЭТС) разработана упрощенная математическая модель нагрева частотно - регулируемых асинхронных двигателей. Тепловые параметры ЭТС определяются, исходя из геометрических размеров АД, теплофизичсских параметров среды и материалов, а потерн мощности - из электрических, магнитных и механических параметров. Тепловая схема АД для нестационарного режима представлена на рис.7.

[ П>ск ] ____±__

Входные д^-ян I____

еч^и »кона иртеаки*

1' •ч 1 { 1-1

1 ! и \ Г - гсп5С{ ! " ,! и 1 | = СОИ| — = ^Oflít 1 | 1 1 Ь-1ЛШЬ|, 1 -v.IT 1 !

1 _ г—'

1 Подгфограмма для ' [расчета. \ajwiKTej ^стш; I

_к______

Поаиригрчмма расчета псюрь

( Конец |

Рис .5, Программа расчета потерь асинхронных частогно-рсгулируемых

двигателей

»Л«.)' . - , ¡. - - " " м-ы'1

Рис 6. Зависимости потерь от частоты

Рис,7 ■ Телловаа схема задещеши ааисчроансго двигателя для: нестационарного ре^гла

Система дифференциальный уравнений в матричных симзолах для тепловой схемы (рис.7), имеет вид

п

с

. + л * © = р

Л (13)

Здесь ©1- средние температуры соответствующих тел. Р1- потери выделяемые в элементах. Сь полные теплоемкости элементов ЭТС, Хьтепловые проводимости между элементами. Решением системы (13) является выражение

п

X

■/=1 (14)

где п - число элементов ЭТС, М- собственные значения матрицы Л; ©ш-находят из решения системы линейных алгебраических уравнений

Л * © = -Р (15)

С, - определяют из системы Н*С= ©о- ©и, ®о= © (1=0); Н=[уь у3..„ уп1 матрица собственных векторов матрицы Л. Полученное выражение (13) позволяет судить о ходе процесса нагрева основных час тей двигателя от начала работы до любого интересующего момента времени. Для более полного анализа влияния тепловых проводимостей и потерь на значения установившихся температур составлена программа, которая позволяет определить расчетные коэффициенты и температуры для выражения (13) .

В результате получены аналитические выражения для экспоненциальных кривых нагрева основных элементов тепловой схемы замещения АД с номинальной мощностью Р2=2,2 кВт. В табл.3 приведены коэффициенты греющих потерь данного двигателя, и эквивалентные тепловые сопротивления лобовой части обмотки для частот 20 и 50 Гц.

Таблица 3

Частота Г=50 Ги град/Вт

1{омер узла 1 ! 2 1 з 4 | 5 1

Температура нагрева вл=80,95 град "С 1 ; 0,647 0,35 С,382 ! 0,352 0.0303

Частота Г =20 Гц Я0л=О,О46 град/Вт

Температура нагрева ©л=95.3 град "С ! | 0,65 1 0,312 I 0,373 ! 0,38 0,0448

Рис. 5 Кривые пагрева лобовой чагги обмотки яря частоте 20 н 50 Гц

гармоник напряжения на

Из табл. 3 следует, что тепловое сопротивление лобовой части не зависит от частоты питания. Коэффициенты греющих потерь также не зависят от частоты за исключением коэффициента, учитывающего влияние потерь ротора на нагрев обмотки, который несколько возрастает, что связанно с ухудшением охлаждения ротора. Кривые нагрева лобовой части обмотки для двух частот 20 и 50 Гц приведены на рис.8.

С целью исследование влияния высших нагрев асинхронного двигателя с помощью

12

разработанной методики тепловых процессов были рассчитаны зависимости температур ох времени для различных гармоник ("0=5,7,11,13,15, составляющих 15% от основной гармоники). Эти зависимости представлены на рис.9. Из этих кривых видно, что наибольшее влияние на нагрев обмотки оказывает 5-ая гармоника напряжения.

•ря.«<с)

Рис. 9. Зависимости температуры от времени при учете высших гармоник

Анализ литературных источников показывает, что примерно 10% частотно-регулируемых двигателей как в сельском хозяйстве, так и в промышленности работают в нестационарных режимах: режимах 82 и Э4. Однако единого подхода к выбору двигателей для работы в этих режимах не существует, Как правило, подбор двигателя осуществляется по полуэмпирическим формулам, Оптимальность и рациональность конструкций асинхронных двигателей определяется тепловыми расчетами. Анализ опубликованных работ показал, что вопросу исследования тепловых процессов совместно с электромагнитными переходными процессами уделено недостаточно внимания. Не учитываются условия пуска, а также различные возмущения на валу двигателя. Поэтому разработана методика описания нестационарных тепловых процессов в частотно-регулируемых двигателях применительно к режимам 82 и 84 с учетом электромагнитных переходных процессов.

На рис. 10,6. представлена тепловая модель АД для режима 84, реализованная в системе МАТЬАВ-ЗМиЬШК. Время пуска и потери за время пуска, а также время работы и потери при этом рассчитываются заранее и

Рис 10,а. Управляющие сигналы для режима 54

Тйвггяа! Мойг! АО (ог в1У е!»теп18

Рис. 10,6. Математическая модель нестационарного нагрева АД в режиме 84

Здесь период Т=240 с, время пуска Т$ = 3% оГГ (7.2 с), время работы Тиг = 30% оГТ (72 с), время охлаждения Тг = 67% о£Т (160.8 с).

Графики нагрева лобовой части обмотки для различных частот показаны на рис.11. Они позволяют определить допустимое число включений в час для режима работы Б4 для заданного диапазона регулирования АД.

Ы ЙПЙ лЕатсг №0С)п5\snme

Рис.11. Графики нагрева лобовой части обмотки в режиме 84 для различных частот.

Нагрев лобовой части обмотки АД в режиме 82 показан на рис. 12. С помощью этого графика, используя математическую модель нестационарного нагрева обмотки, можно определить допустимую мощность для заданного время работы электродвигателя в режиме 52.

Рис. 12. Кривые нагрева АД в режиме

В четвертой главе рассматривается вопросы проектирования частотно-регулируемых асинхронных двигателей. Применение обычных методик проектирования без учета особенности роботы и соответствующих корректировки расчетных соотношений неправомерно. Специфика проектирование АД во многом определяется законом регулирования частоты и напряжения и заданным диапазоном регулирования скорости вращения ротора. Поэтому, в начале главы рассматривается особенности проектирования, асинхронных двигателей с частотным регулированием.

Здесь необходимо отметить, что частотно-регулируемые АД не требуют глубоких пазов, а также частота и напряжения могут быть выбраны отличными от стандартных. Поэтому наиболее приемлемы является поход базирующиеся на определение расчетного момента и расчетный частоты. В зависимости от закона управления расчетная частота может быть равна либо минимальной, либо максимальной частоте диапазона регулирования. После выборарасчетных частоты, определяется напряжения и требуемый момент который должен обеспечивать АД при этих условиях. Затем определяется основные размеры. Проектирование АД осуществляется 3 этапа.

На первом этапе по требуемому моменту и частоте вращения определяются основные размеры АД. На втором этапе корректируются обмоточные данные и размерь: пазовой зоны ротора. На третьем этапе производится тепловой расчет и рабочие характеристики. Разработана программа по проектированию. АД которая связывает геометрические размеры, обмоточные данные и характеристики материалов с основными выходными характеристиками двигателями.

В данной главе так же приведено исследование влияния размеров пазовой зоны, длины и число витков обмотке статора на энергетические показатели АД. Для этой цели была составлена компьютерная программа расчета пойка оптимальных параметров АД. Блок схема программа представлена на рис. 13.

По этой про грамме были просчитаны ряд асинхронных двигателей. Нарис. 14 представлены различные варианты изменения размеров пазовой зоны ротора целю выбора оптимально. На рис. 15-16 представлены результаты расчета по определению оптимальных размеров АД.

BxoáttMtt жншг t ____i

Выбор закона

регулирования

М 2

V' 1

V i

fOHSt f ftóo /-г = £ * COIisl j ,„ i

Oraje деление | основных размерш» АД-Г1Ч

X

i ииредеяеиие размеров

а&зовых зон ]

статора н ротора

.______к_—_

¡ Выбор югхтшьтж размеров j пззсййзй золи АД-1ТЧ

:r

Расчет

| рабочих и механических | характеристик АД-ХХЧ | и--- -------,__—--1

Рис. 13. Блок схема программы расчета оптимальных параметров АД.

I

i

: \

Рис.14. Модификация пазов ротора частотно-регулируемых АД Кривые рис.15 показывают, что

«■ у двигателя мощностью 7,5кВт - при уменьшении зубца (bZ2) и ярма ротора (Ъа2) КПД увеличивается на 0,5%.

у двигателя мощностью 2,2кВт - в диапазоне уменьшения ярма ротора (Ьа2) на 5% и увеличении зубца (Ъ72) на 5% получается максимальный КПД.

КПД{!7) С'.йкВт»

КПД

0.85 О.М% ;

0.8Ъ С.8?5 0.82 й 815

а 81

0.805 ; 0.8 ' 0.755

0.0281;-. ¡-1154 ■(-

5 :0.05470.Э35$0.СЗВ

Рис. 15 Сравнение КПД (а)7.5 кБт (6)2,2 кВт при изменении Ьа2 и Ъг2 Выбор оптимальных чисел китко^ и длины паке! а статопа

КПД{??)<7.5кВт> КПД(т?)<2.2кВт>

(б)

¡-."Л. • гдотим.,

Рис ! б. Сравнение КПД (ар,5 кВт (б}2,2 кВт при изменении -.V и !

Эти кривые рис. 16 показывают, что

• у двигателя мощностью 7.5кВт - имеет максимальный КПД при уменьшении длины статора (к) на 5% и при увеличении числа витков статора (ЛУб) на 5%. » у двигателя мощностью 2.2кВт - имеет максимальный КПД при увеличении числа витков статораО^) па 10%.

Еще одним из направлений повышения эффективности АД является использование медной клетки вместо алюминиевой. В 2001 г. это направление предложили специалисты УкрВНИЙВЗ (г. Донецк), которые совместно с Первомайским электромеханическим заводом освоили технологию изготовления медных летъкмороткозамкнутых обмотокротором АДмощностью от 1,1 до 400 кВт. В серии ззрывозащищенных АД, разработанной украинскими предприятиями, обеспечиваются уровня КПД ЕРР1 и ЕБР2 по нормам ЕС ЕРАСТ и ГОСТ Р 51677-2000. Оборудование и технология производства медных литых обмоток короткозамкнутых роторов созданы и используются также в Германии и США.

Результаты расчета АД мощностью 2.2 и 7.5 кВт, спроектированных с медными клетками, представлены в табл. 4.

Таблица.4

Параметры Мощь ость алюминий медь Р&мица

КПД (%) 2 2кВт 70 2 в!," -3.06(%)

7,5кВт 84,1 85,9

ОкОД 2,2кВг 0,82 0,81 -1.23!%)

7,5кВт 0,795 0,792 -0,3 8(%)

Потерь(кВт) 2.2кБт 0,555 0,492

7,5 кВт 1,418 1,232 -15,Н»

Т ок етатора( А) 2,2кВт ■>,127 5.04 -1,75(%)

7,5>сВг 17,008 1о,6Г7 -1,98(%)

Скоижсние(о е) 2.2кВт 0,048 0,026 -0,022

7,5 кВт 0 0358 0,0174 -0 0184

Цпминя пкт.'С* 2 ?кНг 1 0 96 ■4.17(%)

момеч г(Н 1 7 5хВт 1,05 0,97 -8,25;%) !

Кратное гь 2,2кВт 1 401 0,944 -0,457

пккозого момента (о е) 7,5кВт 1.!5 0,724 -0 426 ;

Краткости, максимального момен га Со.е) 2,2кВг 1,554 2,155 0,601 |

7.5хВт 1,91п 2 106 0,19 1 I

Темг.ература('С) 2,2кЗг 72 275 62 т -П,Щ%) !

1 7,5кВт | 100,867 84,47 -19,41,'%) 1 1

Из анализа результатов табл.4 следует, что КПД увеличивается на 2-3%. Рассмотренные примеры показывают высокую техническую и экономическую эффективность электродвигателей переменного тока, специально спроектированных и изготовленных для работы от вентильных преобразователей частоты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработана новая математическая модель асинхронного двигателя в фазной системе координат (а, в, с) статора и ортогональных.(а,¡3) ротора с учетом насыщения,вытеснения тока в обмотке ротора и потерь в стали.

2. Разработана методика и программа расчета потерь при питании АД от кеситгусоидальною источника напряжения.

3. Разработана методика расчета тепловых процессов частотно-регулируемых АД для стационарных и нестационарных режимов работы, пригодная для использования в проектных расчетах. На основе математической модели составлены алгоритмы и программный комплекс для проведения тепловых расчетов на персональном компьютере.

4. Приведенные расчеты по разработанной программе показали, что при уменьшении частоты питания температура АД возрастает, в результате увеличивается нагрев, и срок службы изоляции обмотки статора уменьшается.

5. На основе проведенных теоретических исследований нестационарных тепловых режимов разработан подход к определению времени работы в

кратковременном режиме 52 или числа включений в час в режиме 84, исходя из предельной температуры нагрева

6. Выявлены закономерности изменения допустимой по нагреву полезной мощности, которая ашжается с уменьшением частоты питания при регулировании по закону Ш=сошТ,. Данные расчета нагрева позволяют определить для заданного диапазона регулирования требуемый расчетный момент.

7. Разработана методика и программа проектирования частогно-регулируемого АД, позволяющая спроектировать двигатель для заданного закона регулирования.

8. Предлагается методика поиска оптимальных энергетических показателей асинхронного двигателя при изменении геометрических размеров пазовой зоны ротора, числа витков обмотки и длины статора.

9. Проведено сравнение энергетических показателей и основных характеристик при выполнении короткозамкпутой клетки ротора из меди вместо алюминия. Показано, что использование меди в роторе увеличивает КПД двигателя на 2-3%.

10. Выполненные расчеты показывает высокую техническую и экономическую эффективность асинхронных электродвигателей переменного тока, специально спроектированных и нзпловлештых для работы от вентильных преобразователей частоты.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мощинский Ю.А., Аунг Вин Тут. Обобщенная математическая модель частотно-регулируемого асинхронного двигателя в осях а,Ь,с,(,аР) с учетом потери в стали, \\ Электричество, 2007, №-10.

2. Аунг Вин Тут, Кьо Зо Лин, Мощинский Ю.А. Тепловые режимы регулируемых асинхронных двнгателей.\\ Вестник МЭИ. Электротехника, Электромеханика. 2008 г. № 3 .

3. Аунг Вин Тут, Мощинский Ю.А. Исследование влияния формы напряжения инвертора на динамические характеристики частотно-регулируемого асинхронного двигателя \\ Х1-я Международная конференция Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты: 18-21 сентября 2006 г. Крым, Алушта С. 277.

4. Аунг Вин Тут, Кьо Зо Лин. Мощинский Ю.А. Математическая модель частотно-регулируемого асинхронного двигателя в трехфазной системе координат. \\ Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, том-2. 3-2 марта 20071. Москва. С. 3.

5. Аунг Вин Тут, Кьо Зо Лин, Мощинский Ю.А. Определение допустимого числа включений в час асинхронного двигателя по условию нагрева обмотки статора. \\ Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, том-2: 28-29 февраля 2008 г Москва. С. 6.

6 Аунг Вин Тут. Кьо Зо Лин, Мощинский Ю.А. Исследование влияния гармоник напряжения на основные показатели асинхронных двигателей. \\Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, том-2. 28-29 февраля 2008 г. Москва С 7.

7. Аунг Вин Тут, Кьо Зо Лин, Мощинский Ю.А Улучшение энергетические показатели частотно-регулируемого асинхронного двигателя. \\ ХН-я Международная конференция Электромеханика, злекгротехнологии, электротехнические материалы и компоненты: 29 сентября - 4 октября 2008 г. Крым, Алушта. С. 145.

Подписано в печатьЗак.л// Тир. юо Полиграфический центр Л'ЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЧАСТОТНО

РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

1.1.Основные принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода.

1.2.Основные способы частотного управления АД.

1.3. Преобразователи частоты для регулируемого электропривода.

1.4. Формирование и регулирование выходного напряжения АИН.

1.5. Исследование влияния высших гармоник выходного напряжения инвертора на энергетические показатели асинхронных двигателей.

Выводы.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ З-ФАЗНЫХ

АСИНХРОННЫХ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

2.1. Математическая модель идеализированной трех фазной обобщенной машины.

2.2. Математическая модель асинхронного двигателя с учетом насыщения в 3-фазной системах координат статора и ротора.

2.3. Математическая модель асинхронного двигателя в фазной системе координат а,Ь,с статора и а, Р - ротора.

2.4. Математическая модель асинхронного двигателя в фазной системе координат а,Ь,с статора и а, Р - ротора с учетом потерь в стали.

-32.5 Математическая модель для исследования переходных процессов АД в системе а,Ь,с, (а,/?) с учетом потери в стали и с учетом вытеснения тока в роторе.

2.6. Основные показатели обобщенной электрической машины в динамических режимах в осях а,Ь,с,(« ,Р).

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. НАГРЕВ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АД.

3.1. Расчет потерь асинхронного двигателя при несинусоидальном напряжении питании.

3.2. Тепловые режимы работы электрических машин.

3.3. Тепловой расчет при установившемся режиме по методу ЭТС.

3.4. Нестационарный нагрев частотно-регулируемого асинхронного двигателя.

3.5. Определение допустимой мощности регулируемого асинхронного двигателя для заданного диапазона регулирования.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Проектирование частотно-регулируемых асинхронных двигателей.

4.1. Особенности похода к проектированию частотно-регулируемых асинхронных двигателей.

4.2. Законы регулирования скорости АД и выбор расчетных частот.

4.3. Определение основных размеров частотно-управляемого асинхронного двигателя.

4.4. Зубцовые зоны статора и ротора частотно-управляемого асинхронного двигателя.

4.5. Выбор оптимальных размеров пазовой зоны ротора частотноуправляемого асинхронного двигателя.

4.6. Выбор оптимальных чисел витков и длины пакета статора.

4.7. Асинхронные частотно-регулируемые двигатели с медной клеткой

Выводы по главе 4.

В настоящее время электромашиностроительные заводы выпускают асинхронные двигатели, которые рассчитаны на работу от промышленной сети, т.е. с неизмененной частотой и напряжением на статоре.

Между тем применение вентильных преобразователей частоты, с одной стороны, открывает перед электроприводом новые возможности, а с другой, импульсный характер работы современных вентильных преобразователей создает ряд проблем.

Более того, получены реальные результаты, о чем говорит продукция некоторых отечественных предприятий. В данной работе на примере общепромышленных электроприводов обращается внимание на те преимущества, которые дает применение асинхронных двигателей, рассчитанных и изготовленных для работы в системе частотного регулирования.

Сегодня реальным процессам, происходящим в системе двигатель-преобразователь, разработчики не уделяют должного внимания. Обычно они берут серийный двигатель общепромышленного применения и подключают его к преобразователю частоты, совершенно не заботясь о совершенстве технических параметров, оптимальности и стоимости получаемой системы электропривода, а вопросы срока службы и надежности вообще остаются без внимания.

Если же рассматривать весь диапазон регулирования, то необходимо учитывать особенности взаимодействия двигателя с преобразователем, что усложняет задачу разработки и эксплуатации электропривода.

Теория частотного управления электрических машин получила свое дальнейшее развитие в работах А.А. Булгакова, в которых были исследованы статические характеристики АД при переменной частоте, а также рассмотрены особенности работы АД в системах разомкнутого и замкнутого регулирования.

Большой вклад в развитие теории частотного управления внесли А.С. Сандлер, Р.С. Сарбатов, И.И. Эпштейн, рассмотревшие как статические, так и динамические режимы работы АД при питании от преобразователей частоты (ПЧ).

Основы методики построения математических моделей электрических машин были разработаны А. Блонделем, А. М. Горевым, Д. Парком, Г. Кроном и др. Дальнейшее развитие теория математического моделирования получила в работах Я. Б. Данилевича, В.В. Домбровского, А.В. Иванова-Смоленского, которыми были разработаны методы моделирования электрических машин средней и большой мощности. В работах Копылова И.П. подробно разработана теория обобщенной электрической машины, позволяющая распространить методику математического моделирования практически на все типы электромеханических преобразователей.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является - разработка частотно-регулируемых асинхронных двигателей на основе теоретических исследований стационарных и динамических электромагнитных и тепловых процессов, а также компьютерных программных средств, реализующих эти исследования и позволяющих получить не только геометрические параметры и выходные характеристики, но и варьировать полученные результаты для получения оптимальных энергетических показателей.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи: разработка математической модели частотно-регулируемого асинхронного двигателя в фазной системе координат при питании от инвертора напряжения, функционально связывающей параметры регулируемых АД с их характеристиками;

- создание компьютерной модели в среде МАТЛАБ, включая разработку принципов задания параметров, законов изменения и взаимосвязи основных компонент модели, для исследования влияния изменения основных параметров на выходные характеристики;

- разработка методики определения электрических и тепловых параметров АД при частотном управлении.

- разработка метода эквивалентных тепловых схем для расчета тепловых процессов частотно-регулируемых АД и проведение теоретических исследований процессов нагрева на основе этого метода.

- разработка методики проектирования частотно-регулируемого АД, которая позволяет определить главные размеры и основные характеристики для заданного закона управления.

Методы исследования. В работе использованы аналитические, численные и численно-аналитические методы исследования. Исследования базировались на теории дифференциальных уравнений, на компьютерных методах моделирования в среде программирования МАТЛАБ. Для анализа тепловых режимов работы АД использована теория нагрева и теория линейных электрических цепей. В качестве математического аппарата используется аппарат матричной алгебры, ориентированный к применению на современных компьютерах. Реализация алгоритмов компьютерной программы выполнена в среде MATLAB v. 7.0 и MathCAD v. 11.

Научная новизна работы заключается в следующем

- проведено комплексное исследование асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в системе со статическим преобразователем частоты.

- предложена математическая модель частотно-регулируемого двигателя, учитывающая эффект вытеснения тока в проводниках обмотки ротора, насыщение магнитопровода и закон управления преобразователем;

- разработан комплекс программ для расчета нестационарных тепловых процессов в частотно-регулируемом двигателе.

- разработана программа проектирования АД, которая позволяет оценить массогабаритные и энергетические показатели и выдать рекомендации по их улучшению.

- исследовано влияние геометрических размеров пазовой зоны, длины статора и числа витков обмотки ротора на величину энергетических показателей.

Достоверность результатов работы. При решении системы дифференциальных уравнений, описывающих работу системы АД-ПЧ, используется метод Рунге-Кутта в модификации Гира. Расчет тепловых нестационарных режимов АД проведен с использованием эквивалентных тепловых схем замещения. Достоверность теоретических исследований частотно-регулируемых АД с помощью имитационных математических моделей подтверждается сравнением с результатами известными из литературы.

Практическая ценность:

- разработанные методики и программы расчета, статических и переходных режимов работы позволяют детально исследовать влияние параметров и входного напряжения на энергетические показатели АД при питании от преобразователя частоты, а также повысить точность и достоверность получаемых результатов;

- зависимости превышения температуры от частоты питания при постоянном моменте позволяют определить диапазон регулирования АД;

- На основании проведенных оптимизационных расчетов, даны рекомендации по выбору конструкции АД с короткозамкнутым ротором, работающих совместно со статическими преобразователями.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы будут реализованы в Союзе Мьянма при разработке оптимальных частотно-регулируемых электроприводов, используемых в технологическом оборудовании сельского хозяйства. Методики расчета тепловых процессов и проектирования частотно-регулируемых АД используются при разработке, изучении и исследовании регулируемых двигателей на кафедре «Электромеханика» МЭИ (ТУ).

Апробация работы. Основные научные и технические результаты были представлены на: XI-ой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта. 2006 г); XII-ой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта. 2008 г). XIV-ая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, 28-29 февраля 2008 г. Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано (7) печатных работ.

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и (1) приложений. Полный объем работы составляет (152) страницы текста, иллюстрированного рисунками и таблицами на (89) страницах. Список использованной литературы включает (67) наименования.

На защиту выносятся:

-комплекс программ математического моделирования АД-ПЧ с учетом непостоянства параметров при питании от инвертора;

-комплекс программ для расчета стационарных и нестационарных тепловых процессов в АД, позволяющих получить с помощью простых тепловых моделей электродвигателей параметры и характеристики теплового процесса с достаточной точностью.

-методика проектирования частотно-регулируемого АД с короткозамкнутым ротором с учетом диапазонов регулирования, а также закона управления преобразователем частоты.

-метод предварительного поиска оптимальных значений параметров пазовой зоны ротора, длины и числа витков обмотки статора АД, результаты которого представлены в виде графических зависимостей.

В главе 1 представлены основные принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода, а также кратко изложены основы теории работы преобразователя частоты в регулируемом электроприводе.

При описании динамических режимов АД в качестве переменных используют результирующие (изображающие) вектора напряжений, токов, потокосцеплений. Для этой цели обычно используются инверторы с ШИМ. Анализ приведенных зависимостей показывает, что улучшение формы тока при использовании ШИМ происходит за счет ослабления высших гармоник напряжения в низкочастотной части спектра. Число ослабленных гармоник определяется несущей частотой ШИМ.

Однако повышение частоты коммутаций силовых элементов ведет к увеличению динамических потерь в АИН. Поэтому оптимальной является частота ШИМ, при которой обеспечиваются минимальные суммарные потери в системе инвертор-двигатель.

Вторая глава посвящена сравнительному анализу существующих различных математических моделей и разработке новой математической моделей частотно-регулируемого двигателя в осях (а,б,с,(а(3)) с учетом потерь в стали, вытеснения тока в проводниках ротора и насыщения магнитной цепи.

Система дифференциальных уравнений, описывающих поведение частотно-регулируемого двигателя, включает в себя уравнения напряжений обмоток, уравнения движения. При составлении уравнений равновесия использовалась естественная (фазовая) система координат осей а, б, с - оси фаз статора и а, (3- оси эквивалентных обмоток ротора. При этом предполагается, что обмотки фаз ротора приведены к обмотке фазы а статора, что позволяет использовать одну и туже систему относительных единиц для роторных и статорных величин.

В третьей главе рассматриваются методы теплового расчета АД. Разработана упрощенная математическая модель нагрева частотно-регулируемых асинхронных двигателей. Приведены аналитические выражения для экспоненциальных кривых нагрева элементов тепловой схемы замещения. Представлены результаты расчета коэффициентов греющих потерь для установившегося режима, а также коэффициентов при экспонентах и постоянных времени нагрева лобовой части обмотки для двух частот 20 и 50 Гц. Согласно простому эмпирическому правилу увеличение рабочей температуры на 10-12°С уменьшает срок службы изоляции, а, следовательно и двигателя, вдвое. Таким образом, вопросы расчета нагрева электродвигателя, в частности температуры статорных обмоток становятся первостепенным при оценке возможности использования асинхронных двигателей (АД) в частотно-регулируемом электроприводе. Нагрев частотно - регулируемых электродвигателей происходит по более сложным законам, нежели двигателей, работающих при постоянных параметрах питания: напряжении и частоте. Это обусловлено следующими факторами:

1. Потери в отдельных частях двигателя зависят не только от нагрузки на валу, но и от изменяющихся параметров питания;

2. Конвективные сопротивления, обдуваемых поверхностей электродвигателя изменяются с изменением частоты вращения ротора, причем по различным законам;

3. Из-за изменения величины потерь, а также сопротивлений передачи тепла от одного тела к другому изменяется и влияние отдельных составляющих потерь на нагрев обмотки статора.

Таким образом, разработанная тепловая модель нестационарного нагрева, давая достаточно подробную информацию о тепловых процессов в АД, может быть использована как для оценки нагрева обмотки в различных режимах работы, так и для проектирования тепловой защиты.

В четвертой главе рассматривается особенности проектирования асинхронных двигателей с частотным регулированием. Применение традиционных методик для проектирования частотно-регулируемого АД без учета его специфических особенностей и соответствующей корректировки расчетных соотношений неправомерно. Специфика проектирования АД-ПЧ во многом определяется законом регулирования электропривода, также выбранным диапазоном регулирования АД.

Техническими предпосылками, обеспечивающими преимущества регулируемых двигателей над серийными асинхронными машинами являются:

-отсутствие требований к пусковым характеристикам, так как не ставится задача обеспечения кратностей пускового и максимального моментов. Поэтому может быть выбрана соответствующая форма паза ротора, чтобы обеспечить минимальное активное сопротивление ротора и меньшую индуктивность рассеяния.

-выбор оптимального, отличного от базового соотношения нестандартных значений напряжения и частоты проектируемого двигателя, согласованных с номинальными значениями преобразователя.

-необходимая частота вращения производственного механизма, обусловленная частотой питания двигателя, числом полюсов обмотки статора АД может быть обеспечена различным сочетанием этих двух величин.

-особенности работы на низкихчастотах вызывает появление дополнительных требований к его параметрам и к значению потерь в обмотках статора и ротора.

Применение частотно-регулируемвх двигателей, спроектированных с учетом специфики их работы в условиях регулируемого электропривода вместо серийных асинхронных двигателей дает возможность значительно снизить массу, габариты и стоимость электропривода, а также улучшить их энергетические показатели.

Рассмотренные выше особенности асинхронных двигателей, определяемые специфическими требованиями, которые к ним предъявляются в регулируемом электроприводе, показывают высокую техническую и экономическую эффективность электродвигателей переменного тока, специально спроектированных и изготовленных для работы от вентильных преобразователей частоты.

В заключении приводятся выводы, сделанные по результатам работы.

В списке литературы приведены использованные в процессе работы источники.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана новая математическая модель асинхронного двигателя в фазной системе координат (а, в, с) статора и ортогональных.(а,(3) ротора с учетом насыщения ,вытеснения тока в обмотке ротора и потерь в стали.

2. Разработана методика и программа расчета потерь при питании АД от несинусоидального источника напряжения.

3. Разработана методика расчета тепловых процессов частотно-регулируемых асинхронных двигателей для стационарных и нестационарных режимов работы, пригодная для использования в проектных расчетах. На основе математической модели составлены алгоритмы и программный комплекс для проведения тепловых расчетов на персональном компьютере.

4. Приведенные расчеты по разработанной программе показали, что при уменьшении частоты питания температура АД возрастает, в результате увеличивается нагрев, и срок службы изоляции обмотки статора уменьшается.

5. На основе проведенных теоретических исследований нестационарных тепловых режимов разработан подход к определению времени работы в кратковременном режиме S2 или числа включений в час в режиме S3, исходя из предельной температуры нагрева.

6. Выявлены закономерности изменения допустимой по нагреву полезной мощности, которая снижается с уменьшением частоты питания при регулировании по закону U/i=const,. Данные расчета нагрева позволяют определить для заданного диапазона регулирования требуемый расчетный момент.

7. Разработана методика и программа проектирования частотно-регулируемого АД, позволяющая спроектировать двигатель для заданного закона регулирования.

- 1428. Предлагается методика поиска оптимальных энергетических показателей асинхронного двигателя при изменении геометрических размеров пазовой зоны ротора, числа витков обмотки и длины статора.

9. Проведено сравнение энергетических показателей и основных характеристик при выполнении короткозамкнутой клетки ротора из меди вместо алюминия. Показано, что использование меди в роторе увеличивает КПД двигателя на 2-3%.

10. Выполненные расчеты показывает высокую техническую и экономическую эффективность асинхронных электродвигателей переменного тока, специально спроектированных и изготовленных для работы от вентильных преобразователей частоты.

1. Александров Н. А., Мордвинов Ю. В., Федорова Г. А. Расчет характеристик асинхронного двигателя при питании его от источника с несинусоидальной формой кривой напряжения. Труды ВНИИЭМ. Том 45, 1976, с. 127-134.

2. Алексеенко А. П., Артанов С. Г., Люсина И. И., Пантюхов JI.JL Методика поверочного теплового расчета асинхронных короткозамкнутых двигателей, работающих в кратковременном режиме. М.: Аэродинамика и теплопередача, 1977, № 7, с.61-123.

3. Анфиногентов О. Н. Разработка математических моделей для определения динамических параметров асинхронных машин. Автореферат дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. 1984, 23 с.

4. Балагуров В. А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. М.: Высшая школа. 1982. 270 с.

5. Беспалов В. Я. Перспективы создания отечественных электродвигателей нового поколения для частотно-регулируемого электропривода, г. Москва, МЭИ (ТУ) 2005.

6. Беспалов В. Я., Мощинский Ю. А., Кузнецова Н. В. Алгоритм и программарасчета рабочих и механических характеристик частотно-регулируемых асинхронных двигателей. Вестник МЭИ, 1995 , №2, с. 45-48.

7. Беспалов В. Я., Мощинский Ю. А., Цуканов В.И. Упрощенная математическая модель нестационарного нагрева и охлаждения обмотки статора асинхронного двигателя. Электричество, 2003, № 4, с. 21-26.

8. Ю.Беспалов В.Я., Мощинский Ю.А, Петров А.П. Математическая модель в обобщенной ортогональной системе координат. Электричество, №8, 2002, с. 37-39.

9. П.Беспалов В.Я., Мощинский Ю.А. Анфиногентов О. Н. Расчет переходных процессов в глубокопазных асинхронных двигателях. М.: Изд-во- МЭИ, 1990, 76 с.

10. Бойко Е. П., Гаинцев Ю. В., Ковалев Ю. М. и др.Асинхронные двигатели общего назначения. М.: Энергия, 1980.

11. Боляев И. П., Иванов А. А. Расчет тепловых процессов в электрической машине на электронной цифровой вычислительной машине (ЭЦВМ). Изв. вузов. Электромеханика. 1963. № 9, с. 104-109.

12. Борисенко А. И., Костиков О. Н., Яковлев А. И. Охлаждение промышленных электрических машин. -М.: Энергоатомиздат. 1983,269 с.

13. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. М.: Энергоатомиздат, 1988.-224 с.

14. Бронштейн И. Н. , Семендяев К. А. . Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. Изд-во М.: Наука, 1986.

15. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоиздат, 1982.

16. Виноградов А. Б. Учет потерь в стали, насыщения и поверхностного эффекта при моделировании динамических процессов в частотно- регулируемом электроприводе. Электротехника, №5, 2005, с. 57-61.

17. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Mathlab 6.0. М., Коронапринт, 2001. 320 с.

18. Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА принт, 2007. -256с., ил. ISBN 978-5-79310463-0.

19. Глазенко А. В., Данилевич Я. Б., Карымов А. А. Температурные поля в электрических машинах с учетом их конструктивных особенностей. Электротехника, 1992, №1, с.2-5.

20. Голланцев Ю.А. и Мартынов А.А. Частотное управление двигателем переменного тока. М.: Энергия, 1984.

21. Грузков С.А. Электроснабжение летательных аппаратов. М.: Энергия, 1984.

22. Джендунбаев А.-З. Р. Математическая модель асинхронного генератора с учетом потерь в стали. Электричество №7, 2001, с .36-45.

23. Ильинский Н.Ф., Ипатенко В. Н. Тепловые модели в неноминальных циклических режимах. Электричество, 1984, № 7, с. 37-41.

24. К вопросу о построении универсальной математической модели обобщенной электрической машины в программной среде Matlab-Simulink. Электротехника, №7, 2005, с.3-8.

25. Кацман М.М. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам и электроприводу. М.: Высшая школа, 2001.

26. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1983.

27. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.-JL, Госэнергоиздат, 1963.-744 с. •

28. Конев Ю.И. Полупроводниковые устройства для частотного управления АД. М.: Энергоатомиздат, 1989.

29. Мещеряков В.Н., Петунин А.А. Структурно-топологический анализ моделей вентильно индукторного и асинхронного двигателей. // Электротехника №7/2005

30. Осин И.Л., Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств: Учеб. пособие для вузов. М.: Издательство МИЭ, 2003.- 424 с. ил. ISBN 5-7046-0741-1.

31. Сипайлов Г. А., Санников Д. И., Жадан В. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. М.: Высшая школа. 1989.

32. Сипайлов Г.А. Лоос А.В. Математическое моделирование электрических машин,М: Высш. шк., 1980,176 с.

33. Суйский П.А. К расчету нагрева асинхронных машин по методу греющих потерь. Вестник электротехнической промышленности, 1963, №7,.с.30-35.

34. Счастливый Г. Г. Нагревание закрытых асинхронных электродвигателей. -Киев: Наукова Думка, 1966.

35. Тубис Я.Б., Фанарь М. С., Нарынская В.М., Зезюлина Л. М. Методы исследования и анализ теплоотдачи асинхронных двигателей. М.: Информэлектро, 1981.

36. Тубис Я. Б. Фанарь М. С. Определение греющих потерь асинхронных двигателей. Изв. высших учебных зав. Электромеханика, 1975 , № 10, с.1081-10-86

37. Хрисанов В.И. Бржезинский Р. Вопросы адекватности математических моделей асинхронных двигателей при анализе переходных процессов при пуске. Электротехника, №10, 2003, с. 20-25.

38. Хрисанов В.И. Математическая модель асинхронных машин в фазных осяхстатора. // Электротехника, № 7, 2004, с. 23-30. 43.Эпшмейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. М.:Энергоиздат, 1982.

39. Arias Pujol, Antoni. Improvements in direct torque control of induction motors. Universitat Politecnica De Catalunya. Departament D'enginyeria Electronica. Terrassa, Novembre 2000. ISBN: 84-699-5740-6

40. Cyril G Veinott, Theory and Design of Small Induction Motor, McGraw-Hill Book Company, New York, USA ,1959,Chap 9, Chap 18

41. Erkuan Zhong, Thomas A. Lipo. Improvements in EMC performance of inverter-fed motor drive. IEEE Transaction of industry applications, Vol. 31, No. 6, Nov. 1995.

42. Feng Xinhua, D Shengli, Lizhanchuan, LI Xianran, "Fumy Optimum Method in Motor Design," ICEM, Vol 3, pp 347-350, 1994

43. G. Henneberger, K. Ben Yahia, M. Schmitz. Calculation and identification of thermal equivalent circuit of water cooled induction motors. Publication Seventh International Conference «Electrical Machines and Drives», 1995, v. 12 p.6-10.

44. Jaroslav Lepka, Petr Stekl, 3-Phase ac induction motor vector control using a 56F80x, 56F8100 or 56F8300 Device (Design of Motor Control Application). Freescale Semiconductor Application Note. Rev. 2,2/2005.

45. Jeong-Tae Park, Cheol-Gyun Lee, Min-Kyu Kim, Hyun-Kyo Jung. Application of fuzzy decision to optimization of induction motor design. IEEE Transaction onmagnetic, Vol. 33, No.2, March 1997. Page 1939-1943.

46. Jinhwan Jung, Kwanghee Nam. A Pi-type dead-time compensation method for vector-controlled GTO Inverters. IEEE Transactions on industry applications, Vol. 34, No. 3, May/June 1998, С 452-457.

47. Julio C. Moreira, Thomas A. Lipo, and Vladimir Blasko. Simple Efficiency Maximizer for an Adjustable Frequency Induction Motor Drive. IEEE Transaction on industry applications, Vol. 21, No. 5, Septermember/October 1991.

48. Khaled E. Addoweesh, William Shepherd, L.N. Hulley. Induction motor Speed Control Using a microprocessor-based PWM inverter. IEEE Transactions on industrial electronics, Vol. 36, No.4, November 1989. Page 516-522.

49. Leon M. Tolbert, Fang Zheng Peng, Thomas G. Habetler. Multilevel PWM methods at low modulation indices. IEEE Transactions on power electronics, Vol. 15, No. 4, July 2000.

50. M Nurdin, M Poloujadoff, and A Faure, "Synthesis of Squirrel Cage Motors A Key Optimization," IEEE Trans on Energy Conversion, Vol. 6, Issue 2, Jun 1991.

51. Masatoshr Sakawa, Fuzzy Sets and Interactive Multiobjective Optzmizatzon, Plenum press, 1993

52. P. Pillay, Senior Member, IEEE, and V. Levin. Mathematical models for induction machine. // IEEE 1995.

53. R L Fox, Optimzzatron Methods for Engeenzng Design, Addrson-Weslev Pub, 1971. Chap 2

54. Rolf Drechsler, Junhao Shi, and Gorschwin Fey. Synthesis of Fully Testable Circuits From BDDs. IEEE Transactions on computer-aided design of integrated, Vol. 23, No. 3, March 2004

55. S. Adju-Dhadi, M. Abdel-Salam, Y. Sayed. Speed Sensorless Vector Control of Induction Motor as Influenced by Core-Loss. // Electric Machines and Nov 2, 1998.

56. Sergey E. Lyshevski. Electromechanical Systems, Electric Machines, And Applied Mechatronics. ISBN 0-8493-2275-8, CRC Press LLC, USA, 2000.

57. Shi K. L., Chan T. F., Wong Y. K. and HO S. L. Modeling and simulation of the three-phase induction motor using Simulink. // int. J. Enging. Educ., Vol 36 1999.

58. Somasekhar, VT and Gopakumar, К and Bauu, MR and Mohapatra, KK and Umanand, L (2002) A PWM scheme for a 3-level inverter cascading two 2-level inverters. Journal of Indian Insitute of Science 82(l):pp. 23-36.

59. Time Domain Comparison of Pulse-Width Modulation Schemes Alexis Kwasinski, Member, IEEE, Philip T. Krein, Fellow, IEEE, and Patrick L. Chapman, Member, IEEE (IEEE Power electronic, Vol 1, No 3, September 2003.

60. W. Jazdzynski, Deng. Multicriterial optimization of squirrel-cage induction motor design. IEEE Proceedings, Vol. 136, Pt. B, No. 6, November 1989. Page 299-307.