Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование выбора типа электродвигателя и анализ существующих методов запуска, работы и регулирования скорости трехфазных асинхронных короткозамкнутых электродвигателей при питании от однофазной сети 16
1.1 Обзор мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин 21
1.2 Обзор мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин с регулируемым и нерегулируемым трехфазным асинхронным электроприводом..25
1.3 Работа и запуск трехфазных электродвигателей от однофазной сети без возможности осуществления регулирования угловой скорости электродвигателя 30
1.4 Способы регулирования угловой скорости трехфазного асинхронного ко-роткозамкнутого электродвигателя, питание которого осуществляется от однофазной сети 32
1.5 Выводы по главе 1, цели и задачи исследований 38
Глава 2. Разработка, расчет и исследование полупроводниковых преобразователей векторно-алгоритмического типа для управления трехфазными асинхронными короткозамкнутыми двигателями, при питании от однофазной сети пере менноготока 40
2.1 Обоснование векторно-алгоритмического метода создания и управления вращающимся магнитным полем статора электродвигателя 40
2.2 Разработка и исследование силовой схемы преобразователя векторно-алгоритмического типа для запуска и работы трехфазных асинхронных коротко-замкнутых двигателей мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин от однофазной сети переменного тока 42
2.3 Разработка и исследование силовых схем преобразователей векторно-алгоритмического типа для запуска, работы и регулирования угловой скорости трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей, при питании от однофазной сети переменного тока 46
2.3.1 Разработка и исследование силовой схемы преобразователя векторно-алгоритмического типа для запуска, работы и регулирования угловой скорости трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей, при соединении обмоток статора по схеме «треугольник» 46
2.3.2 Разработка и исследование силовой схемы преобразователя векторно-алгоритмического типа для запуска, работы и регулирования угловой скорости трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей, при соединении обмоток статора по схеме «звезда с выводом нулевой точки» 49
2.4 Синтез системы автоматического управления для разработанных полупроводникового векторно-алгоритмического коммутатора и преобразователей...53
2.4.1 Системы автоматического управления для разработанных полупроводниковых векторно-алгоритмических преобразователей на логической элементной базе 54
2.4.2 Система автоматического управления для однофазно-трехфазного транзисторного реверсивного коммутатора на цифровой элементной базе 60
2.5 Выводы по главе 2 63
Глава 3. Теоретический расчет и исследование характеристик трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмического управления 64
3.1 Обоснование разработки векторно-алгоритмического метода расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток трехфазного асин хронного короткозамкнутого электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмического управления 64
3.2 Методика расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток электродвигателя при векторно-алгоритмическом управлении 69
3.2.1 Порядок расчета суммарного значения векторов напряжения статорных обмоток электродвигателя в периоде регулирования для соединения статорных обмоток электродвигателя по схеме «треугольник» 71
3.2.2 Порядок расчета суммарного значения векторов напряжения статорных обмоток электродвигателя в промежутке коммутации для соединения статорных обмоток электродвигателя по схеме «звезда без вывода нулевой точки» 73
3.2.3 Порядок расчета суммарного значения векторов напряжения статорных обмоток двигателя в промежутке коммутации для соединения статорных обмоток по схемам «звезда с выводом нулевой точки» и «разъединенная звезда» 75
3.2.4 Общая часть порядка расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток электродвигателя при векторно-алгоритмическом управлении 76
3.3 Разработка алгоритма расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток электродвигателя при векторно-алгоритмическом управлении, для соединения статорных обмоток электродвигателя в «звезду», «треугольник», «звезду с выводом нулевой точки» и «разъединенную звезду» 77
3.4 Исследование и расчет механических характеристик трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством разработанных преобразователей 79
3.5 Программное обеспечение для расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток электродвигателя при векторно-алгоритмическом управлении, при питании от однофазной сети 90
3.6 Выводы по главе 3 92
Глава 4. Опытно-экспериментальные исследования механических рабочих и энергетических характеристик мобильных сельскохозяйственных электрифици рованных машин в условиях сельскохозяйственного производства 93
4.1 Описание лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований энергетических характеристик трехфазного асинхронного коротко-замкнутого электродвигателя 93
4.2 Опытно-экспериментальные характеристики трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством однофазно-трехфазного транзисторного реверсивного коммутатора 95
4.2.1 Экспериментальные характеристики трехфазного асинхронного корот-козамкнутого электродвигателя в режиме холостого хода 95
4.2.2 Экспериментальные характеристики трехфазного асинхронного корот-козамкнутого электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток, при вентиляторной нагрузке 98
4.3 Исследование рабочих характеристик электродвигателя в режиме холостого хода 100
4.4 Исследование рабочих характеристик режима «короткого замыкания» электродвигателя (пусковой режим) 103
4.5 Исследование механических и энергетических характеристик электродвигателя 106
4.6 Оценка эффективности использования трехфазных асинхронных коротко-замкнутых электродвигателей мобильных электрифицированных машин с преобразователями векторно-алгоритмического типа 120
4.7 Выводы по главе 4 123
Глава 5. Испытания разработанного преобразователя векторно-алгоритмического типа для мобильных электрифицированных машин в условиях фермерских хозяйств. Анализ экономической эффективности 125
5.1 Испытания модернизированного электропривода машины очистки корнеплодов МОК-150М в крестьянско-фермерском хозяйстве 125
5.2 Анализ экономической эффективности 127
5.3 Выводы по главе 5 135
Основные результаты и общие выводы по работе 136
Библиографический список 138
- Способы регулирования угловой скорости трехфазного асинхронного ко-роткозамкнутого электродвигателя, питание которого осуществляется от однофазной сети
- Разработка и исследование силовых схем преобразователей векторно-алгоритмического типа для запуска, работы и регулирования угловой скорости трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей, при питании от однофазной сети переменного тока
- Обоснование разработки векторно-алгоритмического метода расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток трехфазного асин хронного короткозамкнутого электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмического управления
- Описание лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований энергетических характеристик трехфазного асинхронного коротко-замкнутого электродвигателя
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время ситуация в сельском хозяйстве России складывается таким образом, что при наличии достаточных запасов природных и техногенных ресурсов для производства продовольствия внутри страны в полном объеме – фактическое его производство составляет только половину необходимого. Остальная часть продуктов питания завозится по импорту из-за рубежа. Огромная роль в покрытии дефицита продуктов питания при этом отводится фермерским и личным подсобным хозяйствам населения.
Развитие сельскохозяйственного производства стало толчком к разработке ряда новых мобильных электрифицированных машин: передвижных механических транспортеров и кормораздатчиков, измельчителей грубых кормов, кор-модробилок, электронасосов, индивидуальных доильных аппаратов и др. Одним из основных средств для приведения в движение почти всех указанных машин является электродвигатель. Реализация основных потребительских свойств мобильных сельскохозяйственных машин, механизмов и агрегатов происходит в процессе их движения. В электроприводе мобильных машин в большинстве случаев используются трехфазные асинхронные короткозамкну-тые электродвигатели. Электрические двигатели мобильных машин получают питание через гибкий кабель, который последовательно разматывается с барабана и наматывается на барабан, расположенный на агрегате. Зачастую, площадь обслуживаемых и обрабатываемых участков может достигать значительных размеров и при использовании трехфазной системы электроснабжения происходит значительное увеличение стоимости всей мобильной техники. Если для питания использовать однофазную систему электроснабжения, то это позволит снизить стоимость, а также габариты мобильной сельскохозяйственной машины за счет применения более дешевого и менее габаритного кабеля с меньшим количеством жил.
Кроме того, у крупных фермерских хозяйствах обычно существует несколько структурных подразделений, занятых обработкой и хранением различных сельскохозяйственных культур и рассредоточенных по большой территории. И если в главных подразделения для питания мобильных сельскохозяйственных машин имеется трехфазная сеть, то в отдаленных филиалах обычно проведена только однофазная сеть, что осложняет запуск трехфазных электродвигателей мобильных машин. В связи с этим, актуальным становится вопрос обеспечения надежной работы трехфазных асинхронных двигателей мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин от однофазной сети переменного тока.
По данным территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Алтайскому краю на 01.01.2013 года в Алтайском крае зарегистрировано 2877 сельскохозяйственных производителей, большая часть которых расположена в сельской местности. Согласно статистическим данным ОАО «Алтайкрайэнерго» (приложение А) более 90% абонентов частного сектора и более 40% абонентов коммерческого сектора в сельской местности Алтай-
ского края не имеют трехфазного источника электрической энергии. В то же время возможно использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии – солнца, ветра, теплоты земных недр, приливов и др. В ряде случаев при использовании этой энергии получение трехфазного источника питания для сельскохозяйственного электрооборудования затруднительно. Поэтому и в этом случае предпочтение отдается использованию однофазной системы электроснабжения.
Как известно, в сельскохозяйственном производстве широкое распространение получили трехфазные и однофазные асинхронные короткозамкнутые электродвигатели, что предопределяется рядом их преимуществ над двигателями постоянного тока: более высокой надежностью и производительностью, простотой в эксплуатации, низкой стоимостью и габаритами. В результате проведенных исследований установлено, что по таким показателям, как стоимость, коэффициент полезного действия и габариты, трехфазные асинхронные корот-козамкнутые двигатели имеют преимущества перед однофазными.
Актуальным, в связи с вышесказанным, становится вопрос выбора способа запуска и работы трехфазных асинхронных короткозамкнутых электродвигателей мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин от однофазной сети.
Включение трехфазного асинхронного электродвигателя в однофазную сеть выдвигает ряд особенных требований. На сегодняшний день наибольшее распространение получили три способа питания трехфазного двигателя от однофазной сети:
- метод прямого включения;
-использование емкостных или индуктивно-емкостных фазосдвигающих цепей;
- запуск и работа с помощью частотного преобразователя.
Недостатками первых двух способов запуска и работы трехфазного двигателя от однофазной сети являются значительное понижение момента и развиваемой электродвигателем мощности, а также необходимость использования, во втором случае, набора конденсаторов различной емкости при различной величине нагрузки и заметные трудности в организации регулирования скорости двигателя. Применение частотных преобразователей в однофазной сети для питания трехфазных асинхронных электродвигателей небольшой мощности, в ряде случаев не рационально из-за их высокой стоимости.
В связи с наличием у рассмотренных способов запуска и работы трехфазных двигателей от однофазной сети ряда существенных недостатков, необходимо разработать новый способ запуска, обеспечивающий повышение энергетических характеристик, а также возможность регулирования угловой скорости электродвигателя.
Таким образом, целью исследований является нахождение новых способов питания трехфазных асинхронных двигателей мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин от однофазной сети.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
разработать метод управления вращающимся магнитным полем трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя мобильной сельскохозяйственной электрифицированной машины при питании от однофазной сети переменного тока;
сформулировать методику расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя, питание которого осуществляется от однофазной сети переменного тока, путем векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток, а также разработать программное обеспечение;
обосновать теоретически и подтвердить экспериментально возможность векторно-алгоритмического управления электродвигателем и обеспечить необходимые механические и энергетические характеристики электропривода;
- разработать силовые электрические схемы частотных преобразователей для трехфазного асинхронного электродвигателя при питании от однофазной сети, а также системы автоматического управления с заданными эксплуатационными показателями;
- определить эффективность предлагаемого метода управления трехфазными асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями мобильных сельскохозяйственных машин, механизмов и агрегатов.
Объект исследований. Процессы функционирования полупроводниковых преобразователей векторно-алгоритмического типа в электроприводе мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин.
Предмет исследований. Трехфазный электропривод мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин с полупроводниковыми преобразователями векторно-алгоритмического типа при питании от однофазной сети переменного тока.
Методология и методы исследований. При выполнении работы применялись основные положения теоретических основ электротехники, электроники, разделы математического анализа, аналитической геометрии и высшей математики.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
предложен новый векторно-алгоритмический метод управления вращающимся магнитным полем, позволяющий осуществить запуск и работу трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети переменного тока;
разработана и сформулирована новая методика расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток, обеспечивающая построение механических характеристик электродвигателя с преобразователем векторно-алгоритмического типа;
разработаны теоретические основы специальных полупроводниковых систем автоматического управления, реализующих разработанный метод векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя, представляющие возможность повысить быстродействие, а также снизить габариты и стоимость электропривода;
разработаны на уровне изобретений новые технические решения, относящиеся к автоматизированному электроприводу, включающие разработку мето-
да управления преобразователями векторно-алгоритмического типа, позволяющего обеспечить регулирование угловой скорости и повышение энергетических показателей трехфазного асинхронного электродвигателя.
Практическая ценность работы:
-
Разработаны преобразователи векторно-алгоритмического типа с использованием трехфазного электродвигателя, питание которого осуществляется от однофазной сети, при соединении обмоток статора по схемам «треугольник», «звезда с выводом нулевой точки» и «разъединенная звезда» для электропривода мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин фермерских хозяйств.
-
Получены опытно-экспериментальные характеристики трехфазного электродвигателя с преобразователем векторно-алгоритмического типа, которые свидетельствуют о целесообразности его использования в электроприводе мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин фермерских хозяйств.
-
Разработано соответствующее программное обеспечение для управления пуском, работой, регулировкой скорости и для расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток электродвигателя при векторно-алгоритмическом управлении.
-
Даны практические рекомендации по применению разработанных преобразователей векторно-алгоритмического типа в условиях сельскохозяйственного производства для крестьянско-фермерских хозяйств.
Работа выполнена в соответствии с Концепцией развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года (МСХ РФ, приказ от 25 июня 2007 года №342), общероссийской федеральной программой «Энергоэффективная экономика»: раздел «Энергоэффективность в сельском хозяйстве» (постановление Правительства РФ от 17 ноября 2001 г. № 796).
Результаты диссертационной работы включены в Образовательный стандарт учебной дисциплины «Электропривод в современных технологиях» по направлению подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника» в АлтГТУ.
Реализация результатов исследований. Разработанные полупроводниковый коммутатор и преобразователи частоты векторно-алгоритмического типа внедрены в:
крестьянско-фермерском хозяйстве Кремер Е. В. (с. Зудилово, Первомайский район, Алтайский край), в котором была произведена модернизация электропривода машины очистки корнеплодов МОК-150М (Рн =0,75 кВт, Uн=220/380 В, Iн=3,3/1,9 А, пн = 1350 об/мин, созф = 0,75 );
крестьянско-фермерском хозяйстве Федосова Е. В. (с. Сорочий Лог, Первомайский район, Алтайский край), в котором была произведена модернизация шестеренного насоса перекачки молока модели ВЗ-0Р2-А (Рн =0,75 кВт,
Uн=220/380 В, Iн=4/2,3 А, пн = 920 об/мин, созф = 0,71).
Апробация. Основные материалы и результаты работы были представлены и обсуждались на XVII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2011); VIII
Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 2012); XIV Международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург, 2012); VII Международной конференции технических и физических проблем электроэнергетики (Лефкоза, Республика Кипр, 2011); VIII Международной конференции технических и физических проблем электроэнергетики (Фредрикстад, Норвегия, 2012); VII Международной научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Барнаул, 2012); работа удостоена I места в 10-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь-2013».
Основные положения, выносимые на защиту
1. Концепция применения трехфазных асинхронных короткозамкнутых
электродвигателей в электроприводе мобильных сельскохозяйственных элек
трифицированных машин, механизмов и агрегатов при питании от однофазной
сети, учитывающая особенности их работы и условия окружающей среды.
2. Векторно-алгоритмический метод управления, позволяющий осуществ
лять запуск, реверс и работу трехфазного электродвигателя от однофазной сети
в энергоэффективных режимах.
-
Методика расчета среднего значения векторов напряжения, позволяющая производить построение механических характеристик электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмического управления.
-
Эффективные режимы работы, новые схемы и экспериментальные образцы преобразователей векторно-алгоритмического типа для трехфазных электродвигателей мобильных сельскохозяйственных машин, обладающие высоким быстродействием, низкой ценой, уменьшенными габаритами, а также улучшенными энергетическими показателями.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 15 научных работах, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 зарубежные публикации, получены 2 патента на изобретения и 2 патента на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 155 страницах, содержит 73 рисунка, 14 таблиц, 4 приложения; список литературы включает в себя 152 наименования.
Автор выражает искреннюю благодарность профессору кафедры «Электротехника и автоматизированный электропривод», к.т.н. Стальной М. И., принимавшей непосредственное участие в обсуждении результатов и проведении экспериментальных исследований на различных этапах выполнения работы.
Способы регулирования угловой скорости трехфазного асинхронного ко-роткозамкнутого электродвигателя, питание которого осуществляется от однофазной сети
Для обеспечения запуска и работы трехфазного асинхронного короткоза-мкнутого электродвигателя от однофазной сети переменного тока и получения кругового или близкого к круговому эллиптического поля статора применяют различные фазосдвигающие устройства: резисторы, катушки индуктивности или конденсаторы [67-71]. Наибольшее применение в силу ряда достоинств находят схемы [72] включения трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя с фазосдвигающим конденсатором в качестве пусковой и рабочей емкостей (рисунок 1.10).
Простой является схема включения в однофазную сеть с напряжением Uc, в которой в качестве пускового и рабочего элемента используется пусковой конденсатор Сп (рисунке 1.10, а), угловая скорость двигателя при этом не регулируется [62]. Схема соединения обмотки статора асинхронного двигателя в треугольник [73-75] и подключения рабочей и пусковой емкости представлена на рисунке 1.10 (б). При данном способе запуска для каждого значения нагрузки на валу необходим конденсатор соответствующей емкости, то есть необходим набор конденсаторов.
Схема пуска трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием индуктивно-емкостных фазосдвигающих цепей [71, 76], показана на рисунке 1.11.
Принципиальная электрическая схема устройства запуска трехфазного двигателя от однофазной сети с использованием индуктивно-емкостных фазосдвигающих цепей При данном способе запуска трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя от однофазной сети с использованием индуктивно-емкостных фазосдвигающих цепей, возможен режим резонанса, вследствие чего появляется повышенный нагрев обмоток статора, а также увеличенное потребление энергии из сети.
Способы запуска и работы трехфазного двигателя от однофазной сети с использованием емкостных и индуктивно-емкостных фазосдвигающих цепей имеют ряд известных существенных недостатков:
1) небольшая развиваемая электродвигателем мощность (до 50% от номинального значения);
2) холостой ход конденсаторного двигателя с постоянной рабочей емкостью не только нежелателен, но и опасен, так как ток конденсаторной фазы, достигая в этом случае наибольшего значения, может вызвать недопустимый перегрев обмотки;
3) отсутствие возможности регулировки скорости электродвигателя;
4) низкая надежность, большие габариты и повышенная стоимость ввиду наличия в схеме бумажных конденсаторов.
Таким, образом, вследствие серьезности перечисленных недостатков возникает задача нахождения более простого, стабильного и малогабаритного способа включения трехфазного асинхронного короткозамкнутого двигателя в однофазную сеть.
Способы регулирования угловой скорости трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, питание которого осуществляется от однофазной сети В настоящее время наибольшее распространение получили следующие способы регулирования угловой скорости трехфазного асинхронного короткозамкну-того двигателя [77-81]:
1) реостатное регулирование в статорной цепи двигателя или изменением подводимого к статору напряжения; 2) переключением числа пар полюсов;
3) изменением частоты питающего напряжения.
Реостатное (в статорной цепи) регулирование угловой скорости асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, питание которого осуществляется от однофазной сети. При реостатном регулировании угловой скорости трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, значительно уменьшаются пусковой Мпуск и критический Мкр моменты (формулы 1.1 и 1.2), а также критическое скольжение sкр (формула 1.3), при незначительном изменении угловой скорости электродвигателя.
Механические характеристики трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя при реостатном регулировании угловой скорости представлены на рисунке 1.12. Рисунок 1.12 – Механические характеристики электродвигателя при реостатном регулировании угловой скорости
Недостатками данного способа регулирования угловой скорости электродвигателя являются: незначительный диапазон регулирования скорости; уменьшение критического и пускового момента; уменьшение критического скольжения, что снижает диапазон регулирования скорости, так как механическая характеристика становится более жесткой; повышенные габариты, вследствие использования реостатов и коммутационной аппаратуры на рабочие токи, протекающие в статорной цепи; увеличенные затраты электрической энергии вследствие падения напряжения на дополнительных сопротивлениях в статорной цепи.
Регулирование угловой скорости трехфазного асинхронного короткозамкну-того двигателя, путем изменения подводимого к статору напряжения, имеет в основном те же недостатки, что и реостатное регулирование и поэтому эти два способа мало используется особенно при питании от однофазной сети.
Регулирование угловой скорости асинхронного электропривода переключением числа пар полюсов. Угловую скорость можно регулировать, изменяя число пар полюсов р [82]. Так как число пар полюсов может быть только целым числом, то регулирование угловой скорости оказывается ступенчатым (рисунок 1.13, в). На практике зачастую применяется схема [83] переключения обмоток статора асинхронного двигателя с треугольника (рисунок 1.13 (а) на двойную звезду (рисунок 1.13 (б)).
Разработка и исследование силовых схем преобразователей векторно-алгоритмического типа для запуска, работы и регулирования угловой скорости трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей, при питании от однофазной сети переменного тока
В случае если необходимо осуществление регулирования угловой скорости электродвигателя, питание которого осуществляется от однофазной сети переменного тока, как выше, так и ниже номинальной, при соединении статорных обмоток в треугольник, был разработан [10] однофазный частотный регулятор скорости, ведомый сетью (рисунок 2.7). В этой схеме также используется свойство биполярных транзисторов пропускать ток в прямом и обратном направлении вследствие симметричной структуры (n-p-n или p-n-p), при работе в ключевом режиме. В качестве силовых ключей возможно также использовать полевые транзисторы, которые пропускают ток в прямом и обратном направлениях.
Работа однофазного частотного регулятора скорости, ведомого сетью, для трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя осуществляется следующим образом. В статорные обмотки трехфазного асинхронного двигателя подается однофазное переменное напряжение посредством коммутации соответствующих полупроводниковых ключей (транзисторы VT1-VT6), обеспечивающих получение вращающегося магнитного поля статора (рисунок 2.8), состоящего из шести фиксированных положений. Рисунок 2.8 – Векторная диаграмма вращения магнитного поля статора, состоящая из шести фиксированных положений магнитного потока статора
Для получения расчетной частоты 16,67 Гц, при прохождении положительной полуволны питающего напряжения (рисунок 2.9), в начальный момент времени t0 открываются транзисторы VT3 и VT6, ток пойдет по трем обмоткам С, В и А электродвигателя. Напряжение на обмотке С равно фазному Uсети, на обмотках A и B напряжение равно Uсети/2 соответственно. Образуется первое положение вектора магнитного поля статора (рисунок 2.8). При прохождении отрицательной полуволны питающего напряжения (рисунок 2.9, момент времени t1) закрываются транзисторы VT6 и VT3, открываются транзистор VT4 и транзистор VT1 и ток пойдет по трем обмоткам обмотка В, обмотка С, обмотка А электродвигателя. Образуется второе положение вектора магнитного поля статора. При прохождении положительной полуволны питающего напряжения (момент времени t2) закрываются транзисторы VT4 и VT1, открываются транзисторы VT5 и VT2, ток пойдет по трем обмоткам А, С и В электродвигателя. Образуется третье положение вектора магнитного поля статора. Далее, аналогичным образом посредством векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток обеспечивается получение четвертого, пятого и шестого положений вектора магнитного поля. Поле статора получается эллиптическим, изменяющимся во времени. С момента времени t6 алгоритм работы повторяется.
При соответствующем изменении алгоритма открытия транзисторов VT1-VT6 разработанного однофазного частотного регулятора скорости, ведомого сетью, возможно обеспечить работу электродвигателя на номинальной и повышенной скоростях.
Таким образом, поле статора проходит круг за три периода частоты питающей сети, тогда частота регулирования fрег будет находиться по формуле:
Разработка и исследование силовой схемы преобразователя векторно-алгоритмического типа для запуска, работы и регулирования угловой скорости трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей, при соединении обмоток статора по схеме «звезда с выводом нулевой точки»
Для осуществления регулирования угловой скорости трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, питание которого осуществляется от однофазной сети переменного тока, как выше, так и ниже номинальной, при соединении статорных обмоток в звезду с выводом нулевой точки, был разработан [11] однофазно-трехфазный транзисторный преобразователь частоты, ведомый сетью (рисунок 2.10). В данной схеме для векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток используются полевые транзисторы, обладающие свойством пропускать ток в прямом и обратном направлениях без учета полярности приложенного к ним питающего напряжения. Также в качестве полупроводниковых ключей возможно использовать биполярные транзисторы, которые способны пропускать ток в прямом и обратном направлении вследствие симметричной структуры (n-p-n или p-n-p), при работе в ключевом режиме.
Первоначально на затворы транзисторов подано напряжения, создающее электрическое поле для закрытия транзисторов. Векторно-алгоритмическое управление осуществляется снятием напряжения с затворов транзисторов в определенной последовательности.
Принципиальная электрическая схема однофазно-трехфазного транзисторного преобразователя частоты, ведомого сетью
На рисунке 2.11 показана векторная диаграмма вращения поля статора электродвигателя в обратном направлении, состоящая из шести фиксированных положений вектора электромагнитного потока вращающегося поля статора двигателя. Рисунок 2.11 – Векторная диаграмма вращения магнитного поля статора в обратном направлении
Осциллограмма напряжения сети, а также пофазное изменение магнитного потока и тока в обмотках статора электродвигателя, при работе на номинальной частоте, показаны на рисунке 2.12.
Осциллограмма напряжения сети, а также пофазное изменение магнитного потока и тока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на рисунке 2.18
Для работы электродвигателя на номинальной частоте, при вращении поля статора в соответствие с векторной диаграммой, показанной на рисунке 2.11, необходимо осуществлять снятие напряжения с затворов транзисторов VT1 – VT3 в следующей последовательности (рисунок 2.12, а): в момент времени t0, положительного полупериода питающего напряжения Цсети, снимается напряжение с затвора транзисторов VT1 и VT2 и они начинают пропускать ток - обеспечивается получение I положения вектора магнитного поля; в момент времени t1, положительного полупериода питающего напряжения Цсети, подается напряжение на затвор транзистора VT2 и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов VT1 и он начинает пропускать ток - обеспечивается получение II положения вектора магнитного поля; в момент времени t2, положительного полупериода питающего напряжения Цсети, снимается напряжение с затвора транзисторов VT1 и VT3 и они начинают пропускать ток - обеспечивается получение III положения вектора магнитного поля; в моменты времени t3, t4 и t5 посредством векторно-алгоритмической коммутации обеспечивается получение IV, V и VI положений вектора магнитного поля; с момента времени t6 последовательность снятия напряжения с затворов транзисторов VT1-VT3 повторяется. При описанных последовательностях включения транзисторов (то есть снятие напряжения с соответствующих затворов), данный однофазно-трехфазный транзисторный преобразователь частоты, ведомый сетью, позволяет работать двигателю на частоте f = сети. Осциллограмма напряжения сети, а также по рег 2 фазное изменение тока и магнитного потока в обмотках статора представлены на рисунках 2.12, а и 2.12, б. При соответствующем изменении алгоритма открытия транзисторов VT1-VT3 разработанного однофазно-трехфазного транзисторного преобразователя частоты, ведомого сетью, возможно обеспечить работу электродвигателя на номинальной и повышенной скоростях. Таким образом, обобщенная формула нахождения частоты регулирования при векторно-алгоритмическом управлении трехфазным асинхронным коротко-замкнутым электродвигателем имеет вид: рег N где N – число полуволн питающей сети в регулируемом периоде.
Обоснование разработки векторно-алгоритмического метода расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток трехфазного асин хронного короткозамкнутого электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмического управления
Зачастую, для получения математического описания характеристик любой электрической машины с круговым полем в воздушном зазоре ее сводят к обобщенной электрической машине, то есть идеализированной двухполюсной машине с двумя парами обмоток на статоре и роторе. Многофазная симметричная обмотка приводится к двухфазной, которая и рассматривается в обобщенной электрической машине. Модель двухфазной машины [13, 31] в естественных или фазовых непреобразованных координатах показана на рисунке 3.1. Уравнения для нахождения потокосцепления в обобщенной машине в фазовых непреобразованных координатах имеют вид: индуктивности обмоток статора и ротора; \± - взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора; 9 - угол между осями обмоток статора и ротора; 1\ , А , А, ь – токи в обмотках статора и ротора.
Тогда, вращающий момент электродвигателя, выраженный через потокосцепление, может быть найден по формуле:
Для нахождения характеристик асинхронного электродвигателя применяется [127, 128] схема замещения в виде одной фазы (рисунок 3.1), в которой цепи статора и ротора объединены электрически, хотя в действительности эти цепи связаны только электромагнитно. Получить такую схему замещения позволяет как приведение параметров цепи ротора к цепи статора, так и учет сделанных допущений. Схема замещения одной фазы асинхронной машины показана на рисунке 3.2.
Рассматриваемая схема замещения фазы асинхронного двигатели справедлива при следующих допущениях: активные сопротивления первичной и вторичной цепи (I-J и Г2) считаются постоянными, т. е. не зависящими от нагрузки (нагрева) машины, кроме того, г2 не зависит от эффекта вытеснения тока в роторе; величины Xj и х2 - постоянны и изменение как частоты, так и насыщения не влияет на их величину; не учитывается падение напряжения в статоре от тока намагничивания, то есть I « 0, а = Г2; не учитываются добавочные потери в машине, обусловленные потерями на трение и в стали; не принимаются во внимание вибрационные и демпфирующие (паразитные) моменты, создаваемые взаимодействием высших гармонических магнитодвижущих сил и токов двигателя.
Такую схему замещения активно используют для расчета основных параметров электродвигателя, таких как развиваемый электродвигателем момент и мощность.
В ряде случаев для получения количественных и качественных соотношений токов, мощностей и напряжений в отдельных элементах асинхронного электродвигателя, строится круговая диаграмма [127] (рисунок 3.4).
Круговая диаграмма является векторной диаграммой схемы замещения асинхронной машины с некоторыми дополнительными построениями.
Круговая диаграмма, построенная на основании упрощенной схемы замещения асинхронной машины, хотя и получила весьма широкое применение благодаря своей простоте и наглядности, однако значения токов, моментов и других параметров, полученные из круговой диаграммы, могут иметь довольно большую погрешность, особенно в области токов, значительно превышающих номинальный, т. е. при скольжениях, близких к единице. Данная круговая диаграмма разработана для трехфазного асинхронного двигателя и использование ее для расчета энергетических показателей асинхронного двигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети переменного тока путем векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток, невозможно. При векторно-алгоритмическом управлении асинхронным электродвигателем, известная модель схемы замещения и круговая диаграмма не могут в абсолютном выражении, без корректирования, быть использованы потому что:
S модель получена и составлена для одной фазы трехфазного асинхронного двигателя, в предположении, что в других фазах напряжения одинаковы, равны по величине и сдвинуты на 120 электрических градусов во времени;
S при векторно-алгоритмическом управлении напряжения на статорных обмотках не являются одинаковыми и не сдвинуты во времени на 120 электрических градусов, а поступают от одного однофазного источника напряжения в соответствии с алгоритмом включения обмоток в разные промежутки времени;
S кроме того, при векторно-алгоритмическом управлении напряжение на каждой из статорных обмоток электродвигателя не является полностью синусоидальным, а является частично или кусочно синусоидальным и не равным по величине на каждой из обмоток, а в ряде случаев либо величины напряжений, действующих в статорных обмотках, не равны, либо на одной из обмоток статора напряжение вообще отсутствует (рисунке 2.5);
S модель для трехфазного асинхронного электродвигателя, питающегося от трехфазной сети, нельзя применять при векторно-алгоритмическом управлении еще и потому, что необходимо в процессе векторно-алгоритмического управления двигателем формировать определенным образом во времени и в пространстве (за счет быстрых воздействий) его токи, а следовательно и результирующий вектор потока статора, то есть в этих системах мало учитывать временное изменение векторов, нужно учитывать и пространственное расположение этих изменяющихся векторов; поэтому, в этом случае, должны быть использованы другие методы.
На основании учета вышеизложенного, разработан метод расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмического управления. При этом, для расчета используется среднее значение вектора напряжения, рассчитанное в бесконечно малый момент времени ti каждого из промежутков коммутации Zi на всем периоде регулирования Трег, с учетом величины и знака текущего напряжения в сети, а также количества и направления тока в работающих обмотках.
Как показали проведенные многочисленные расчетные исследования, использование известных методик теоретического определения характеристик трехфазного асинхронного электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток, невозможно по причине отсутствия непрерывной синусоидальности напряжения, поступающего на обмотки электродвигателя, и одновременного неравенства напряжения по величине в каждый момент времени на разных статорных обмотках. В связи с этим, был применен метод ВАР (векторно-алгоритмических расчетов) нахождения среднего значения потокосцепления и метод [130] расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток электродвигателя при векторно-алгоритмическом управлении.
В результате проведенных многочисленных исследований, порядок расчета среднего значения векторов напряжения статорных обмоток, с учетом пояснений, показанных на осциллограмме (рисунок 3.4), сформулирован следующим образом.
Прежде всего, задаются параметры электродвигателя: номинальное напряжение (Uн), число полуволн напряжения в периоде регулирования (N), частота питающей сети (ґсети), количество промежутков (у) коммутации (переключений) (ZL) (рисунок 3.5) в одном периоде регулируемой частоты, количество участков (п) тактирования (Kj) в каждом из промежутков коммутации (ZL). При этом количество промежутков коммутации (у) одинаково для каждой из трех обмоток (А, В, С).
Описание лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований энергетических характеристик трехфазного асинхронного коротко-замкнутого электродвигателя
Запуск и работа трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя лабораторной установки, при проведении опытно-экспериментальных исследований [139-142] механических рабочих и энергетических характеристик, осуществлялись от однофазной сети с помощью однофазно-трехфазного транзисторного реверсивного коммутатора. В случае если экспериментальная механическая характеристика совпадет с теоретической, для рассматриваемой схемы, то можно предположить, что и для двух других схем преобразователей векторно-алгоритмического типа опытно-экспериментальные расчеты сопоставимы с теоретическими.
Описание лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований энергетических характеристик трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя
Блок схема лабораторной установки представлена на рисунки 4.1. Однофазное переменное напряжение через автотрансформатор поступает на однофазно-трехфазный транзисторный реверсивный коммутатор, ведомый однофазной сетью. С однофазно-трехфазного транзисторного реверсивного коммутатора напряжение в определенной последовательности поступает на статорные обмотки электродвигателя. Напряжение и ток в каждой из статорных обмоток измеряется с помощью амперметров (A1-A3) и вольтметров (V1-V3). Снятие тахограмм разгона и торможения электродвигателя осуществлялось с якоря двигателя постоянного тока при помощи осциллографа (Осц.2). Частота сети определялась частотомером (Hz).
Из приведенных на рисунке 4.4 осциллограмм видно, что они незначительно отличаются от осциллограмм напряжений (рисунок 4.3) при работе на активную нагрузку вследствие того, что двигатель помимо активного сопротивления обладает еще и индуктивным сопротивлением. Однако при заданном алгоритме работы силовых полупроводниковых ключей, вид напряжения питания статорных обмоток двигателя сохраняется: в начальный момент времени до 0,0033 секунд напряжение поступает на первую и вторую статорные обмотки, с 0,0033 до 0,0066 секунд напряжение поступает на первую, вторую и третью статорные обмотки, с 0,0066 до 0,01 секунды напряжение поступает на первую и третью статорные обмотки.
Для снятия тахограмм разгона и торможения испытуемого электродвигателя его вал был жестко соединен с валом двигателя постоянного тока. Снятие скоростных осциллограмм осуществлялось с якоря двигателя постоянного тока. Та-хограмма разгона двигателя в режиме холостого хода представлена на рисунке 4.5. Тахограмма торможения электродвигателя свободным выбегом в режиме холостого хода представлена на рисунке 4.6.
Осциллограммы рабочих токов статорных обмоток трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмической коммутации ста-торных обмоток, с вентиляторной нагрузкой в установившемся режиме представлены на рисунке 4.7. Рисунок 4.7 – Осциллограммы токов статорных обмоток электродвигателя при
вентиляторной нагрузке
Из приведенных на рисунке 4.7 осциллограмм видно, что они отличаются от осциллограмм токов статорных обмоток электродвигателя в режиме холостого хода более высоким значением тока. Увеличение тока в каждой из статорных обмоток обусловлено увеличением момента сопротивление на валу электродвигателя.
Тахограмма разгона двигателя с вентиляторной нагрузкой представлена на рисунке 4.8. Тахограмма торможения электродвигателя свободным выбегом с вентиляторной нагрузкой представлена на рисунке 4.9.
Из тахограммы разгона электродвигателя, представленной на рисунке 4.8, видно, что электродвигатель разгоняется до скорости 1200 об/мин за 1 секунду.
Тахограмма торможения электродвигателя с вентиляторной нагрузкой свободным выбегом
Из тахограммы торможения электродвигателя, представленной на рисунке 4.9, видно, что время торможения электродвигателя составляет 2,7 секунды.
Таким образом, на основании полученных осциллограмм токов статорных обмоток, тахограмм разгона и торможения электродвигателя в режиме холостого хода и с вентиляторной нагрузкой можно сделать вывод о том, что форма тока в статорных обмотках незначительно отличается от осциллограмм токов, при работе электродвигателя на чисто активную нагрузку. Форма тока в статорной обмотке L1 близка к синусоидальной. Величина тока в статорных обмотках в установившемся режиме равна порядка 0,75 А, что составляет 87% от номинального тока. Время разгона двигателя до скорости 1200 об/мин с вентиляторной нагрузкой составляет 1 секунду, до скорости 1280 об/мин в режиме холостого хода за 0,1 секунды. Время торможения электродвигателя свободным выбегом на холостом ходу составляет, с вентиляторной нагрузкой 2,7 секунды.
При построении рабочих характеристик трехфазного асинхронного коротко-замкнутого электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток, использовался прием точного моделирования. При этом трехфазный электродвигатель типа 4ААМ63А4У3 (Рн=0,25 кВт, Uн=220/380 В, 1н=1,49/0,86 А, пн=1380 об/мин, р=2, А, = 1,6) лабораторной установки был заменен, с учетом законов моделирования на электродвигатель аналогичного типа (АВ-041-4МУ3), но пониженной мощности (Рн=16 Вт, Uн=220/380 В, 1н=0,19/0,1 А, пн=1300 об/мин, р=2Д = 1,6).
Рабочая характеристика холостого хода асинхронного двигателя представляет собой зависимость потребляемой мощности Sхх от напряжения статора U - var при номинальной частоте fн питающей сети и отсутствии нагрузки на валу двигателя. Характеристики, соответствующие холостому ходу снимаются с помощью регулируемого источника переменного напряжения - автотрансформатора. Измерения производились по схеме, представленной на рисунке 4.10.
