книги / Моделирование переходных процессов в полюсопереключаемых асинхронных двигателях

Успешное решение ряда важных технических и организационных за­

дач, дальнейшее развитие механизации и автоматизации производст­

венных процессов и установок тесно связаны с прогрессом в области электрификации народного хозяйства, успешным развитием элект­ ромашиностроения и автоматизированного электропривода. Более

половины вырабатываемой электрической энергии в нашей стране преобразуется электромеханическим способом и потребляется в

виде механической энергии во всех отраслях промышленности, в сель­

рам режимы работы производственных механизмов.

Советские и зарубежные ученые работают над созданием надеж­

емого препятствуют плохие регулировочные свойства. Поэтому для

создания регулируемого привода на базе асинхронного двигателя

применяют специальные устройства, способные изменять параметры

требуемой надежностью. Попытки удовлетворить потребности народ­ ного хозяйства страны только за счет тиристорных частотно-регу'

лируемых электроприводов потребовали бы больших капитальных затрат и замедлили бы процесс автоматизации производства многих важных отраслей промышленности. С целью ускорения автоматиза­ ции производства многих областей народного хозяйства наряду с частотным приводом можно считать оправданным применение дру­ гих типов регулируемых двигателей, имеющих высокие техникоэкономические показатели и высокую надежность.

Перспективное направление развития асинхронных регулируе­ мых приводов — применение полюсопереклгочаемых электродвига­ телей, способных дискретно изменять частоту вращения магнитного

поля. Их эффективная разработка и промышленная эксплуатация свя­

заны с необходимостью исследования динамических режимов. По­ люсопереключаемый асинхронный двигатель с совмещенными об­ мотками статора представляет собой достаточно сложный объект исследования из-за влияния на динамические режимы, помимо об­ щепринятых для асинхронных двигателей факторов, незатухших магнитных полей, существующих при переключении полюсов, спек­ тра пространственных гармоник МДС, возможной несимметрии па­ раметров, особенностей схем соединения ветвей обмоток статора.

Настоящая монография посвящена исследованию переходных режимов в полюсопереключаемых асинхронных двигателях, разра­ ботке математических моделей переходных процессов, позволяющих устанавливать закономерности их протекания, оценить влияние

различного рода факторов и параметров и сформулировать рекомен­

дации по проектированию и эксплуатации электрических машин данного типа. Разработана универсальная математическая модель полюсопереключаемых асинхронных двигателей с совмещенными обмотками статора, реализованная на алгоритмическом языке ФОРТРАН-1V и позволяющая проводить совместный анализ электро­ магнитных и механических переходных процессов с учетом прост­ ранственных гармоник МДС, несимметрии и нелинейности электро» магнитных параметров, дискретности распределения проводников

ротора, специфики переходных процессов переключения полюсов, обусловленной наличием назатухших полей, особенностей схем сов­ мещенных обмоток, а также элементов во внешней цепи двигателя.

та. Для упрощения подлежащих решению дифференциальных урав­ нений электрического равновесия применена замена переменных. В качестве новой системы переменных предложены независимые токи ветвей статора и проекции симметричных составляющих про­ странственных векторов контурных токов ротора, что позволяет исключить коэффициенты, периодически изменяющиеся с частотой вращения ротора, уменьшить порядок системы уравнений до вели­ чины, равной сумме количества независимых токов статора и удво­ енного числа учитываемых гармоник МДС, и в результате — умень­

шить затраты машинного времени. Электромагнитный момент полю­ сопереключаемого асинхронного двигателя определен как частная производная от магнитной коэнергии по перемещению, предложен способ учета и проведен анализ влияния нелинейности электромаг­ нитных параметров на ее величину. В обычных эксплуатационных режимах ошибка от неучета этого фактора незначительна и находит­ ся в пределах 4 %. Ее возрастание наблюдается при увеличении насыщения магнитной цепи. Дан алгоритм определения начальных условий переходного процесса переключения полюсов по результа­ там расчета установившегося режима работы.

Разработка, исследование и реализация в виде программ для

ЦВМ представленных в монографии математических моделей пере­

режимов электрических машин с различными обмотками статора.

В каждом случае исследования необходимо проводить с учетом пара­ метров рассматриваемой машины и нагрузочного механизма. Даны практические рекомендации по пуску полюсопереключаеыых дви­ гателей.

Полученные результаты могут найти применение при исследо­ вании, проектировании и эксплуатации приводов с различными мо­ дификациями полюсопереключаемых асинхронных двигателей для расчета динамических механических и токовых характеристик, вы­ бора пускорегулирующей аппаратуры. Они позволяют установить целесообразность замены прямого пуска ступенчатым с помощью полюсопереключаемых обмоток, оценить достоинства различных вариантов полюсопереключаемых совмещенных обмоток и выбрать лучший из них. Кроме того, полученные результаты могут стать основой для оптимизации переходных режимов работы полюсо­ переключаемых асинхронных двигателей.

Полюсопереключаемые асинхронные двигатели весьма перспективны для создания относительно простых и надежных регулируемых электроприводов с высокими технико-экономическими показателями. Их использова­ ние эффективно как для ступенчатого изменения частоты вращения ротора, так и для расширения зоны парамет­ рического регулирования. К этой категории регулиру­ емых асинхронных двигателей относятся многоскорост­ ные двигатели с фазным и короткозамкнутым роторами. Применение фазного ротора требует дополнительного переключения полюсов обмотки ротора и увеличения числа контактных колец, что усложняет конструкцию двигателя и уменьшает его надежность в работе. Поэтому более распространены многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутыми роторами. Многоско­

Полюсопереключаемые асинхронные двигатели могут оснащаться несколькими односкоростными обмотками с различным числом полюсов. В зависимости от необ­ ходимой частоты вращения к сети подключается обмот­ ка с соответствующим числом полюсов. Для повышения степени использования габаритной мощности полюсо­ переключаемых двигателей, упрощения технологии их изготовления и, в некоторых случаях, получения более простой схемы переключения полюсов свойства несколь­ ких односкоростных обмоток иногда совмещают в одной полюсопереключаемой обмотке. Совмещенная полюсо­ переключаемая обмотка позволяет изменять частоту вра­ щения магнитного поля в результате изменения схемы соединения ее ветвей.

Однообмоточные многоскоростные двигатели имеют более высокие энергетические показатели по сравнению

с двигателями с несколькими отдельными обмотками. Однако, если асинхронный двигатель выполнен более чем на две частоты вращения, а при определенном соот­ ношении частот вращения и в двухскоростном испол­ нении, однообмоточиый двигатель имеет большее число выводов и, следовательно, более сложный переключатель, чем соответствующий многоскоростной двигатель с от­ дельными обмотками на статоре. Поэтому в выпускае­ мых в настоящее время промышленностью трех- и четы­ рехскоростных асинхронных двигателях на статоре, как

ленностью сотнями тысяч штук в год в диапазоне мощ­ ностей от единиц до тысяч киловатт. Они широко приме­ няются в промышленности, особенно в приводах метал­ лорежущих станков, текстильных машин, вентиляторов, дымососов и других механизмов, требующих ступенча­ того изменения частоты вращения. Статорные обмотки могут выполняться совмещенными не только для пере­ ключения полюсов, но и для других целей, объединяя, например, свойства обычной односкоростной обмотки статора и специальной обмотки динамического торможе­ ния [7].

Регулируемый привод вообще и созданный на базе полюсопереключаемых двигателей, в частности, призва­ ны обеспечить заданную производительность нагрузоч­ ного механизма, устойчивость работы, точность отработ­ ки управляющего сигнала, получение требуемого изме­ нения регулируемых параметров в переходных режимах. При этом изменения токов, электромагнитных и вибра­ ционных моментов двигателя следует ограничить допус­ тимыми пределами, потребление энергии и стоимость привода должны быть возможно меньшими, а срок без­ аварийной работы возможно большим. На современном этапе весьма затруднено проектирование двигателей для регулируемого привода, удовлетворяющих пе­ речисленным требованиям, без учета переходных про­ цессов.

Исследованиям переходных процессов следует уде­ лять большое внимание как.на стадии проектирования электродвигателей, так и в процессе их эксплуатации. Статистический анализ отказов двигателей, работающих в условиях частых пусков и переключений [1], показы-

вает, что более 60 % повреждений связаны с работой двигателя в переходных режимах. В первую очередь, причина отказов — старение изоляции. Старение ускоря­ ется при многократных деформациях элементов обмотки из-за колебаний температуры и электродинамических воздействий токов переходных режимов. Кроме того, при несовершенстве креплений лобовых частей и не­ плотном закреплении в пазу секций статорной обмотки электродинамические силы способствуют повреждениям этих элементов, поскольку ударное сжатие в 4 раза [23] превосходит максимальное при плотном закреплении элементов обмотки. При частых пусках в результате не­ равномерности нагрева ротора и связанных с ней меха­ нических напряжений возникают усталостные изменения металла стержней. Это способствует их отрывам от короткозамыкающего кольца под воздействием напряже­ ний вибрационного характера, вызванных взаимодей­ ствием тока в стержне с собственным магнитным пото­ ком рассеяния в пазу [1].

Влияние на надежность полюсопереключаемого дви­ гателя переходных процессов переключения полюсов показано в работе [23]. По приведенным статистическим данным большинство отказов происходит в момент из­ менения числа полюсов.

При проектировании двигателей для условий частых пусков необходимо уметь прогнозировать их надеж­ ность. С этой целью разрабатываются математические модели [И], в которых для определения электродинами­ ческих усилий на основании закона Био —Савара — Лап­ ласа учитывается изменение токов во всех фазах.

Результаты исследования максимальных бросков электромагнитного момента используются при прове­ дении механических расчетов крепления пакета стато­ ра [77] и прочности вала двигателя на жесткость и про­ гиб [60].

В пусковых режимах из-за перерегулирования воз­ никают колебания скорости, зависящие от вида нагруз­ ки. Расчет параметров колебательного процесса позво­ ляет учесть явление механических резонансов, что осо­ бенно важно для двигателей специального назначения, например погружных [46].

Применение асинхронных двигателей в системах автоматического регулирования вызывает необходи­ мость совместного учета электромагнитных и механи­ ческих переходных процессов при определении запаса устойчивости, статической и динамической точности,

-быстродействия [33]. Неучет электромагнитных пере­ ходных процессов при таких расчетах приводит к значи­ тельным погрешностям [32, 44]. При проектировании асинхронных двигателей и приводов на их основе сле­ дует учитывать существенный фактор — величину по­ терь в течение переходных процессов. Ее определяют по характеристике изменения токов во времени, получае­ мой на основании расчетов этих процессов. Их следует проводить с учетом электромагнитных процессов, по­ скольку пренебрежение последними приводит к погреш­ ностям, достигающим 40 % и более [54].

Установившийся режим работы двигателя может быть

.нарушен под действием внешних причин либо в связи с изменениями внутри двигателя. Длительность возни­ кающего при этом переходного процесса определяется величиной вызвавшего его воздействия и инерционными свойствами привода. При переходном процессе изменя­ ются токи, характеризующие электромагнитное состоя­ ние машины, и угол поворота ротора относительно ста­ тора, определяющий изменение механического состоя­ ния. В некоторых случаях анализ проводят упрощенно, рассматривая изменение лишь одного из этих факторов. Это не вызывает больших погрешностей, если постоян­ ные времени электромагнитного и- механического пере­ ходных процессов существенно отличаются. Под элект­ ромеханическим переходным процессом при таком -анализе подразумевают процесс изменения частоты вра­ щения ротора в зависимости от приведенного момента инер­ ции, движущего момента и момента сопротивления. При этом движущий момент определяют по статической механической характеристике в функции частоты враще­ ния ротора. Следовательно, электромагнитными пере­ ходными процессами пренебрегают. Однако, если дли­ тельность механических и электромагнитных переход­ ных процессов соизмерима, пренебрежение последними ведет к значительным погрешностям. Так, известно, что значение ударного момента на динамической механиче­ ской характеристике может в несколько раз превы­ шать максимальный момент на статической механи­

Система дифференциальных уравнений электричес­ кого и механического равновесия, составляемая для сов­ местного анализа электромагнитных и механических