Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Внешние электромагнитные поля асинхронных двигателей, питаемые широтно импульсно модулированным напряжением 11
1.1. Интенсивное внедрение в промышленности частотно-регулируемых асинхронных двигателей, работающих от преобразователей с широтно-импульсной модуляцией напряжения 11
1.2. Проявления внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей 21
1.3. Методы исследования внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей 27
1.4. Моделирование электромагнитных полей асинхронных
двигателей численными методами 36
1.5. Выводы и постановка задач 47
ГЛАВА 2. Выявление существенных для расчета внешних электромагнитных полей гармоник напряжений и токов фаз асинхронных двигателей при широтно-импульсной модуляции напряжения. 49
2.1. Имитационное моделирование асинхронных двигателей, работающих от преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения
2.2. Гармонический состав выходного напряжения инвертора и тока асинхронных двигателей при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения 58
2.3. Расчет электромагнитных процессов в асинхронных двигателях при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения
2.4. Выводы
ГЛАВА 3. Анализ внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей с широтно-импульсной модуляцией напряжения по результатам численного моделирования 82
3.1. Частотно-регулируемый асинхронный двигатель, как источник высокочастотного внешнего электромагнитного поля 82
3.2. Двухмерное моделирование внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при работе от преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения 85
3.3. Трехмерное моделирование внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при работе от преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения 90
3.4. Анализ энергии высокочастотных электромагнитных помех внешнего электромагнитного поля асинхронных двигателей при питании от преобразователя с широтно-импульсной модуляцией напряжения 99
3.5. Выводы 101
глава 4. Оценка эффективности способов снижения внешних электромагнитных полейасинхронных двигателей при питании широтно импульсно модулированным напряжением и экспериментальная проверка результатов исследований 104
4.1. Способы снижения внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей 104
4.2. Оценка эффективности способов снижения внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при питании широтно-ипульсно модулированным напряжением на основе компьютерного моделирования 111
4.3. Экспериментальное исследование электромагнитных процессов в асинхронном двигателе, работающем от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения, и внешних электромагнитных полей 117
4.4. Выводы 130
Заключение 131
Литература 133
- Проявления внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей
- Гармонический состав выходного напряжения инвертора и тока асинхронных двигателей при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения
- Двухмерное моделирование внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при работе от преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения
- Экспериментальное исследование электромагнитных процессов в асинхронном двигателе, работающем от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения, и внешних электромагнитных полей
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время питание асинхронных двигателей (АД) часто осуществляется от преобразователей частоты (ПЧ) с ши-ротно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения. Это обуславливает появление в напряжении и токе АД значительных высокочастотных составляющих, которые вызывают внешние электромагнитные поля (ВЭМП) повышенных частот. ВЭМП АД распространяются в пространстве, создают электромагнитное загрязнение окружающей среды, оказьшают негативное влияние на оборудование и обслуживающий персонал.
ВЭМП повышенных частот являются источниками высокочастотных электромагнитных помех, которые могут приводить к сбоям в работе микропроцессорной и электронной техники, систем управления, устройств автоматики, защиты, связи. С повышением частоты воздействие ВЭМП на чувствительные элементы оборудования возрастает.
Влияние ВЭМП на человека проявляется в тормозных процессах в центральной нервной системе, головных болях, утомляемости, повышении артериального давления, учащении пульса, а после длительного воздействия и изменениями в составе крови. По Российским СНиП предельно-допустимые уровни ВЭМП снижаются с повышением частоты. Так, если предельно допустимая индукция постоянного магнитного поля при воздействии на человека в течение всей смены составляет 104 мкТл, то для частоты 50 Гц она снижается до 100 мкТл, а для частот от 10 до 30 кГц (наиболее распространенные значения несущих частот ПЧ с ШИМ напряжения) - до 62,5 мкТл.
Это делает актуальной проблему анализа перспективных способов и методов снижения ВЭМП АД с ШИМ напряжения. Значительный вклад в исследования ВЭМП электрических машин внесли Вольдек А.И., Иванов-Смоленский А.И., Каасик П.Ю., Ефименко Л.А, Андреева О.А., Уильяме Т., Армстронг К., Новокшенов B.C., Соколов С.Е., Жумангулов К.К., Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Пашали Д.Ю., Бойкова О.А., Силин Н.В. Исследования способов снижения ВЭМП проводили, Аполллонский СМ., Сотников В.В., Крылов В.А., Юченкова Т.В., Манин Б.А., Кутузова Н.Б., Марченко Е.А. Однако, в опубликованных результатах исследований не рассматривалось влияние ШИМ напряжения АД на ВЭМП, а анализ методов расчета полей и способов их снижения проведен на основе аналитических зависимостей, с принятием существенных допущений.
Таким образом, анализ методов и способов снижения ВЭМП при питании АД с ШИМ напряжением, включающий применение численных методов со снятием части существенных, принятых в предыдущих исследованиях, допущений не выполнялся и является актуальным.
Цель работы - совершенствование методов исследования внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей, питаемых широтно-импульсно модулированным напряжением, оценка эффективности способов их снижения.
Предмет исследования:
Методы и способы снижения внешнего электромагнитное ПОЛЯ АД.
Объект исследования: Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, питаемый широт-но-импульсно модулированным напряжением. Задачи исследования:
определение уровней высших гармоник напряжений и токов АД, питаемых от ПЧ с ШИМ напряжения, на основе гармонического анализа электромагнитных процессов АД с использованием имитационных моделей;
разработка математических моделей ВЭМП АД на основе численных методов;
анализ изменения ВЭМП АД при питании от ПЧ с ШИМ напряжения для разных режимов работы АД и источника;
разработка рекомендаций по применению способов снижения ВЭМП АД и оценка их эффективности на основе разработанных математических моделей;
- экспериментальная проверка результатов теоретических исследований
ВЭМП АД.
Методы исследования Для решения задач выполнены теоретические исследования с использованием имитационного моделирования на основе дифференциальных уравнений и структурных схем в системе моделирования динамических процессов MatLab Simulink и метода конечных элементов для численного расчета электромагнитных полей в системах Elcut и Ansoft Maxwell. Автоматизированный расчет данных производился с использованием М-книг. Опытные результаты получены на экспериментальном стенде с использованием измерительных антенн, цифровых измерителей-регистраторов и цифровых осциллографов. Теоретические результаты также сравнивались с опытными данными, полученными в других организациях.
Научная новизна работы
-
На основе анализа известных методов, предложена методика исследования создаваемых АД при ШИМ фазных напряжений статора внешних электромагнитных полей, ориентированная на их снижение. Она включает выявление существенных для расчета этих полей гармоник напряжений и токов АД, с помощью имитационных моделей на основе схем замещения двигателей, и численное моделирование упомянутых полей для выявленных гармоник напряжений и токов.
-
Разработаны математические модели внешних электромагнитных полей, создаваемых АД при ШИМ фазных напряжений статора, на основе метода конечных элементов в трехмерной постановке, учитывающие изменение гармонического состава токов АД при изменении режимов работы. Они учитывают также конфигурацию зубцо во-пазовых зон магнито провода, корпуса и торцевых частей АД, обмоточные данные двигателя, нелинейность характе-
ристик намагничивания и вихревые токи в проводящих элементах конструкции.
3. Дана оценка эффективности способов снижения ВЭМП АД при питании широтно-импульсно модулированным напряжением, обоснованная результатами моделирования с применением разработанных математических моделей, в том числе, при трехмерном численном моделировании ВЭМП. Практическая ценность работы
-
На основе разработанных математических моделей определены уровни ВЭМП АД, питаемых широтно-импульсно модулированным напряжением, для установившихся режимов работы АД. Показано, что для высокоисполь-зованных АД в пусковых режимах значения ВЭМП могут превосходить допустимые уровни.
-
На основе оценки эффективности снижения ВЭМП АД различными способами даны рекомендации по их применению.
-
Предложенные методика и модели расчета ВЭМП АД, питаемых ши-ротно-импульсно модулированным напряжением, могут быть использованы при разработке конструкций АД с маломагнитным излучением.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Методика исследования ВЭМП АД при широтно-импульсной модуляции напряжения, включающая гармонический анализ напряжений и токов с использованием имитационных моделей АД на основе схем замещения, и численное моделирование ВЭМП АД для выявленных гармоник напряжений и токов.
-
Математические модели ВЭМП АД, учитывающие гармонический состав напряжений и токов двигателей, особенности их конструкции, нелинейность характеристик намагничивания и вихревые токи в проводящих элементах конструкции, позволяющие исследовать ВЭМП АД при питании широт-но-импульсно модулированным напряжением для установившихся режимов работы двигателя.
-
Оценка эффективности способов снижения ВЭМП АД при широтно-импульсной модуляции напряжения, обоснованная результатами моделирования с применением разработанных математических моделей, в том числе при трехмерном численном моделировании ВЭМП, и рекомендации по их применению.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-технической конференции «Состояние и развитие электротехнологий» Иваново, ИГЭУ, 2011 г., Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы АПК» Саратов 2010 г., Международных научно-технических конференциях «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, ТГУ, 2009 г. и 2012 г., Международной научно-технической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы», Ульяновк, УлГТУ,
2012 г., научных семинарах кафедры «Электромеханика и промышленная автоматика» Сызранского филиала СамГТУ.
Внедрение результатов работы Основные положения, выводы и рекомендации нашли применение в системе автоматизированного управления режимом работы литейных машин на ОАО «Пластик», на компрессорной станции ОАО «НЕФТЕМАШ», в системе регулирования подачи паровоздушной смеси в стриппинг-колонны установки первичной перегонки нефти АВТ-6 на ООО «МНП «ЭЛЕКТРО», в учебном процессе по дисциплинам «Электрические машины» и «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, 4 из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК России.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 146-ти наименований, 11-ти приложений и содержит 147 страниц основного текста, 68 рисунков и 21 таблицу.
Проявления внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей
В то же время чрезмерно увеличивать частоту модуляции не рационально, так пропорционально растут потери на коммутацию полупроводниковых элементов и снижается использование источника постоянного тока. Верхний предел частоты модуляции ограничен необходимостью обеспечивать заданной длительности паузу для восстановления запирающей функции полупроводникового элемента. Самый короткий непроводящий интервал между импульсами должен быть больше, чем нормированное время выключения. Существует некоторое оптимальное соотношение между рабочей и несущей частотами. В настоящее время преобразователи с ШИМ напряжения выпускаются с несущей частотой 2-40 кГц.
Применение АД, питающихся от преобразователей с ШИМ напряжения, имеет недостатки. Каждое переключение транзисторов инвертора вызывает мощный импульс кондуктивных помех в двигательном и сетевом кабелях [61]. Поскольку современные транзисторы обладают способностью переключаться за время порядка 0,1 мкс, то спектр частот, возникающих в результате каждого переключения, составляет от сотен до десятков тысяч и более килогерц. При этом электрические кабели, соединяющие ШИМ преобразователь с сетью переменного тока и с двигателем, становятся как бы антеннами, излучающими в пространство электромагнитную энергию (индуктивные помехи) значительной мощности.
Таким образом, каждый работающий ШИМ преобразователь представляет собой источник кондуктивных и индуктивных помех [99]. Эти помехи оказывают значительное воздействие на собственную нагрузку преобразователя (двигатель и двигательный кабель) и на другое электрооборудование. Кондуктивные помехи, возникающие при работе АД, работающего от преобразователя с ШИМ, достаточно изучены. Опубликовано значительное число научных работ, посвященных этой тематике [9, 19, 35, 55, 122, 124], а также способам борьбы с такими помехами [25, 36, 45, 75, 86, 92, 100, 105, 107, 123] и их математическому моделированию [69-71]. Рассматривались вопросы влияния работы друг на друга частотно-регулируемых АД через питающую сеть [60]. В [132] приводятся результаты экспериментальных измерений и исследований индуктивных помех АД при работе в разных режимах.
Индуктивные помехи создаются внешним электромагнитным полем (ВЭМП) электротехнического устройства. Результаты исследования ВЭМП АД при питании синусоидальным напряжением отражены в [19, 23, 31, 41, 48, 57-59, 94, 122]. Вопросы исследования способов снижения ВЭМП представлены в [2, 75, 82, 91].
Однако в этих работах не рассматривались режимы работы при частотном регулировании АД с ШИМ напряжения;
АД при работе создают ВЭМП. ВЭМП распространяются в пространстве, создают электромагнитное загрязнение окружающей среды, индуктивные помехи, оказывают отрицательное влияние на оборудование и обслуживающий персонал [42, 113]. Питание АД от преобразователей с ШИМ напряжения вызывает ВЭМП АД не только промышленной, но и повышенных частот. С повышением частоты воздействие ВЭМП на чувствительные элементы оборудования возрастает.
Степень биологического воздействия электромагнитных полей на организм человека зависит от частоты колебаний, напряженности и интенсивности поля, режима его генерации (импульсное, непрерывное), длительности воздействия. Биологическое воздействие полей разных диапазонов неодинаково. Чем короче длина волны, тем большей энергией она обладает. Высокочастотные излучения могут ионизировать атомы или молекулы в соматических клетках - и таким образом, нарушать идущие в них процессы. А электромагнитные колебания длинноволнового спектра хоть и не выбивают электроны из внешних оболочек атомов и молекул, но способны нагревать органику, приводить молекулы в тепловое движение. Причем тепло это внутреннее - находящиеся на коже чувствительные датчики его не регистрируют. Этот нагрев может привести к изменениям и даже к повреждениям тканей и органов. Механизм поглощения энергии достаточно сложен. Наиболее чувствительными к действию электромагнитных полей являются центральная нервная система и нейроэндокринная система [6, 68].
С нарушением нейроэндокринной регуляции связывают эффект со стороны сердечно-сосудистой системы, системы крови, иммунитета, обменных процессов, воспроизводительной функции и др. Влияние на иммунную систему выражается в снижении фагоцитарной активности нейтрофилов, изменениях комплиментарной активности сыворотки крови, нарушении белкового обмена, угнетении Т-лимфоцитов. Возможны также изменение частоты пульса, сосудистых реакций. Описаны изменения кроветворения, нарушения со стороны эндокринной системы, метаболических процессов, заболевания органов зрения [142]. Было установлено, что клинические проявления воздействия электромагнитных полей наиболее часто характеризуются астеническими, астеновегетативными и гипоталамическими синдромами [134]: 1. Астенический синдром. Этот синдром, как правило, наблюдается в начальных стадиях заболевания и проявляется жалобами на головную боль, повышенную утомляемость, раздражительность, нарушение сна, периодически возникающие боли в области сердца. 2. Астеновегетативный или синдром нейроциркулярной дистонии. Этот синдром характеризуется ваготоническои направленностью реакций (гипотония, брадикардия и др.). 3. Гипоталамический синдром. Больные повышено возбудимы, эмоционально лабильны, в отдельных случаях обнаруживаются признаки раннего атеросклероза, ишемической болезни сердца, гипертонической болезни.
Восприимчивость людей к электромагнитным полям сугубо индивидуальна. Для нахождения человека установлены предельно допустимые уровни полей. Так для постоянного магнитного поля предельно допустимые уровни приведены в табл. 1.1. [84].
Гармонический состав выходного напряжения инвертора и тока асинхронных двигателей при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения
Среди численных методов наиболее распространенными следует признать метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ) и метод граничных элементов (МГЭ) [18]. МКР использует замену дифференциальных уравнений (1.21)—(1.29) конечно-разностными уравнениями [10]. Основной недостаток этого метода - сложность точного описания границ и оптимального наложения на область расчета конечно-разностной сетки.
МГЭ - это вычислительный метод решения дифференциальных уравнений в частных производных, которые формулируются в виде интегральных уравнениях (граничных интегральных уравнений). Он применяется во многих областях инженерии и науки. В МГЭ рассматривают систему уравнений, включающую только значения переменных на границах области. Схема дискретизации требует разбиения лишь поверхности, а не всей области (отсюда и название метода), так что область становится одним сложным большим "элементом" (в смысле МКЭ). Очевидно, что дискретизация границы порождает меньшую систему общих уравнений задачи, чем дискретизация всего тела. Таким образом, МГЭ уменьшает размерность исходной задачи на единицу, т. е. для трехмерных задач получаются двумерные граничные элементы на поверхности. Применение МГЭ связано с применением колоссальных вычислительных мощностей, что существенно ограничивает его использование для решения больших и сложных задач [14].
Наиболее распространенным аналитическим методом является МКЭ. Применительно к задачам электромеханики он позволяет рассчитывать электрические, магнитные, температурные и другие поля. Основная идея МКЭ состоит в том, что любую непрерывную функцию, такую, как векторный или скалярный магнитный потенциал, можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей. Решение уравнений поля в МКЭ определяется исходя из условия минимума энергетического функционала или ортогональности невязки уравнений поля и интерполяционных функций конечных элементов [37, 46]. При построении в МКЭ дискретной модели непрерывной функции поступают следующим образом: - в рассматриваемой области фиксируется конечное число точек, называемых узловыми; — значение непрерывной величины в каждой узловой точке считается переменной, которая должна быть определена; - область определения непрерывной величины разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами; эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области; — непрерывная величина аппроксимируется на каждом элементе полиномом, который определяется с помощью узловых значений этой величины; для каждого элемента определяется свой полином, подбираемый так, чтобы сохранялась непрерывность величины вдоль границ каждого элемента.
Разбиение области на конечные элементы. В МКЭ расчетная область разбивается на элементы конечного размера в общем случае нерегулярной структуры. При расчете двумерных полей наибольшее распространение получили треугольные и прямоугольные элементы с прямолинейными сторонами. Размеры элементов и их ориентация выбираются исходя из условия конкретной задачи. Число узлов и их расположение в конечном элементе зависит от порядка интерполяционного полинома, описывающего распределение искомой функции внутри элемента [86].
Суть МКЭ ясна из рис. 1.10. Домен задачи или двумерная область разбивается на малые треугольные 2В-элементы, и задача трансформируется в набор задач, решаемых относительно просто. Каждый из треугольников на рис. 1.10 представляет собой конечный элемент - треугольник или тетраэдр в ЗО-пространстве, с гранями, аппроксимируемыми обычной линейной или квадратичной функцией, точки соединения конечных элементов представляют собой узлы. В пределах конечного элемента назначаются
Двухмерное моделирование внешних электромагнитных полей асинхронных двигателей при работе от преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения
Улучшение спектрального состава выходного напряжения можно добиться, применив ШИМ с изменением ширины импульсов на половине периода по синусоидальному закону [62] (рис. 2.7, б; рис. 2.8), при котором ширина импульсов максимальна в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Первая гармоника напряжения становится наибольшей. Высшие гармоники напряжения ослабляются. тг Рис. 2.8. Форма напряжения синусоидальной ШИМ
Такая форма напряжения обычно формируется схемой управления, в которой производится сравнение напряжения высокочастотного сигнала несущей частоты пилообразной формы с синусоидальным задающим сигналом выходной частоты, либо программным способом при микропроцессорном управлении. Образуется серия импульсов одинаковой амплитуды, но разной длительности, полезная составляющая которой имеет форму синусоиды заданной частоты и амплитуды [116]. При таком виде модуляции напряжение и ток нагрузки характеризуются малым содержанием высших гармоник [44].
Если управляющий сигнал представляет собой синусоиду, то напряжение на выходе инвертора будет представлять гармоническую кривую, содержащую наряду с первой гармоникой, которая имеет частоту управляющего сигнала, ряд гармонических более высокого порядка. Изменение частоты управляющего сигнала приводит к изменению частоты на выходе инвертора. Изменение амплитуды управляющего сигнала при неизменной частоте будет приводить к изменению соотношения длительностей положительных и отрицательных импульсов напряжения на выходе, т.е. изменению амплитуды его первой гармоники.
Гармонический состав спектра напряжения зависит от рабочей частоты, частоты модулирования, способа модуляции напряжения (модуляция импульсами постоянной ширины, импульсами с синусоидально изменяющейся шириной на полупериоде, импульсами с синусоидально изменяющейся высотой на полупериоде, ступенчато-импульсная форма напряжения и др.) и параметров ШИМ - числа импульсов на полупериоде N, скважности у и др., которые влияют на дополнительные потери в обмотках и стали АД [50].
При ШИМ напряжения состав высших гармонических значительно шире, амплитуды гармоник больше, чем при прямоугольной форме напряжения. Для снижения высших гармоник напряжения увеличивают число импульсов ./V в полупериоде, т.е. частоту модуляции так, чтобы она была выше частоты основной гармонической инвертора не менее, чем в 12 раз (N 12). Принцип ШИМ не позволяет полностью использовать напряжение источника питания, что может вызвать снижение момента АД, особенно при высоких частотах ШИМ. Снижение частоты ШИМ приводит к росту амплитуд ближайших к основной высших гармоник на выходе инвертора, что нежелательно и влечет за собой, например, увеличение потерь в АД. Для ослабления гармоник более высокой частоты необходимо повышать частоту коммутации ключей инвертора, что приводит к увеличению потерь в ПЧ [27].
При заданной неизменной несущей частоте ШИМ с понижением регулируемой частоты действующего напряжения - рабочей частоты, растет число импульсов напряжения за полупериод - N. Это улучшает коэффициент формы напряжения. Поэтому с понижением рабочей частоты для снижения потерь на коммутацию полупроводниковых элементов можно понижать частоту ШИМ. Для частоты ШИМ 16 кГц при максимальной рабочей частоте 400 Гц число импульсов N достигает 40, а для рабочей частоты 50 Гц -N=320. Неправильный выбор регулятора с ШИМ напряжения и/или неудачное изменение его параметров во время регулирования могут приводить к изменению режима работы АД, повышенному потреблению энергии. При прямоугольной форме питающего напряжения амплитуды гармоник обратно пропорциональны номеру гармоники [50]. Большая часть современных преобразователей частоты используют синусоидальную ШИМ напряжения первого рода. В этом случае разложение выходного напряжения на гармоники может быть осуществлено с использованием рядов Фурье [47]: Поскольку функция и(0 представляет собой комбинацию единичных ступенчатых функций, то интегралы произведения можно заменить на сумму интегралов от синуса (косинуса) с указанием граничных условий, соответствующих функции u(t): где у - номер ненулевого участка u(t) на периоде 0-КГ. Указанные интегралы являются табличными, выражения для а, и bt могут быть записаны в виде: а, = —— X tsin(f ю зу) - sin( fl Г І j )dt\ T-i-cOj b,=—— [cos(i-aSJ)-cos(i-co2J)dt]. T-l-CDj Проведенные исследования показали, что на гармонический состав выходного напряжения слабо сказывается закон модуляции. Гораздо сильнее сказывается отношение несущей частоты к выходной частоте инвертора
Экспериментальное исследование электромагнитных процессов в асинхронном двигателе, работающем от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения, и внешних электромагнитных полей
АД при работе от ШИМ напряжения создают ВЭМП не только промышленной, но и повышенных частот. ВЭМП распространяются в пространстве, создают электромагнитное загрязнение окружающей среды, оказывают негативное влияние на здоровье обслуживающего персонала, вызывают нарушения в работе технических средств. В связи с этим актуальной становится задача определения способов снижения ВЭМП АД.
Современные способы снижения ВЭМП АД могут заключаться в следующем [91, 111, 116, 117]:
Способ 1 - Экранирование. Основными источниками ВЭМП АД являются лобовые части обмоток статора и ротора, а также сердечник, с поверхности которого часть рабочего потока рассеивается во внешнее пространство.
Конструкция комбинированного экрана: 1 - электропроводящая оболочка (корпус и подшипниковые щиты), выполняемая преимущественно из немагнитного материала; 2 - цилиндрические магнитные экраны для лобовых частей АД шириной 80-120 мм, расположенные внутри корпуса в его торцевой части; 3 - ферромагнитный пояс над центральной частью сердечника с наружной стороны корпуса (или два подобных пояса) шириной 10-40 мм
Эффективный комбинированный экран, хорошо сочетающийся с традиционной конструкцией АД, представлен на рис. 4.1. Путем подбора оптимальной ширины Ъц центрального пояса 3 можно достичь высокой эффективности экранирования, которая обусловлена взаимодействием элементов комбинированного экрана с источниками поля и между собой. Развитием этой конструкции стала экранирующая оболочка с чередующимися ферромагнитными поясами на внутренней и внешней поверхности электромагнитного экрана.
Кроме того, эффективность экрана на рис. 4.1 в некоторых случаях можно повысить путем установки на наружном поясе системы короткозамкнутых витков определенного сечения подбираемых при настройке. Ширина пояса при этом должна быть больше оптимальной.
Существенным практическим недостатком комбинированного экрана, представленного на рис. 4.1, является невозможность индивидуальной настройки на уже изготовленных двигателях, что существенно снижает его реальную эффективность. Подобная необходимость возникает из-за неизбежного в условиях производства разброса электромагнитных нагрузок двигателя, физических параметрах применяемых материалов (удельная электропроводность материалов корпуса и щитов, магнитная проницаемость поясов), и технологических допусков на геометрические размеры конструктивных элементов экрана. Ширина Ъц центрального ферромагнитного пояса 3, изменением которой осуществляется настройка экрана, в изготовленном серийном образце уже изменена быть не может.
Решением этой проблемы может быть конструкция ферромагнитного экрана (рис. 4.2), отличающаяся тем, что ферромагнитный пояс заменен наружными ферромагнитными элементами 3, выполненными в виде полос-накладок и установленными относительно друг друга с зазором, узел регулирования которого можно выполнить различным образом.
Лобовые части обмотки статора в АД расположены под стыком корпуса с подшипниковыми щитами, что ослабляет их электромагнитное экранирующее воздействие. Для более эффективного экранирования поля рассеяния от лобовых частей наряду с торцевым поясом 1 дополнительно устанавливают только на внутренней поверхности подшипниковых щитов, или одновременно на внутренней и внешней поверхности ферромагнитных элементов 2, 3 (рис. 4.3).
Первое и второе решения позволяют снизить величину ВЭМП, соответственно: в режиме номинальной нагрузки - в 1,5-2 раза и 2,8-3,6 раза; при пуске - в 1,5-3 раза и 2,2-2,6 раза. Способ 2 - Снижение ВЭМП от ярма статора посредством выполнения в непосредственной близости от его внешней поверхности щелевидных [06 отверстий 1, которые отделяют наружный слой 2 от основной магнитопроводящей части (рис. 4.4). Снижение происходит ввиду уменьшения распространения электромагнитной индукции в радиальном направлении.
Способ 3 - Увеличение вылета короткозамыкающих колец обмотки ротора (рис. 4.5). Дополнительно с внутренней стороны каждого кольца 1 может быть установлен магнитопровод 2. В совокупности это значительно увеличивает магнитное поле колец и усиливает их компенсирующее действие на магнитное поле лобовых частей обмотки статора.
Данное техническое решени не должно заметно увеличить индуктивность рассеяния обмотки ротора, так как часть поля колец, сцепленная с лобовыми частями обмотки статора, принадлежит к основному полю двигателя.
Способ 4 - Зигзагообразный скос пазов ротора при направлении вращения в сторону, противоположную излому пазов. Короткозамкнутые АД маломагнитного исполнения обычно выполняют со скосом пазов ротора. Наряду с общеизвестными причинами, это вызвано необходимостью уменьшения виброакустического поля от электромагнитных сил, обусловленные зубцовыми гармониками. В режиме холостого хода скос пазов практически не влияет на ВЭМП АД, так как сила тока в обмотке ротора незначительна. При нагрузке двигателя действие МДС скошенной обмотки ротора приводит к изменению распределению индукции магнитного поля по аксиальной координате: с одной стороны сердечника индукция возрастает, а с другой уменьшается. Это приводит к смещению потока рассеяния из спинки статора к торцевой части корпуса, что снижает эффективность экранирования ВЭМП АД. Если торцевые части оболочки неодинаковы по конструкции, а, следовательно, и по экранирующей способности, то уровень ВЭМП АД будет зависеть от направления вращения.
Для уменьшения этих факторов в АД целесообразно выполнять не традиционный, а зигзагообразный («шевронный») скос пазов. При таком скосе распределение ВЭМП симметрично относительно центра оболочки, что более благоприятно для его экранирования. Кроме этого, при вращении в сторону излома пазов достигается большая противофазность полей лобовых частей обмотки статора и клетки ротора.
Способ 5 - Рекомендации по повышению порядка пространственных гармоник ВЭМП АД, вызванных несимметрией корпуса и анизотропией сердечника. Корпусные оболочки АД, как правило, не обладают круговой симметрией параметров, так как имеют различные отверстия, утолщения и т.п. При степени осевой симметрии s во внешнем поле АД присутствуют гармоники порядка v - ks ± р (к = 0,1,2...). Сердечники современных АД могут изготавливаться из холоднокатаных электротехнических сталей, обладающих магнитной анизотропией и имеющих вследствие этого различную магнитную
