определение потерь мощности в асинхронном двигателе с

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЇ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ С
ПИТАНИЕМ ОТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ
МОДУЛЯЦИЕЙ
М. Ю. Юхименко, ст. преп., Е. А. Домбровский, студ.
Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского
E-mail: thistlethorn@ukr.net
Введение. В связи с широким внедрением систем электропривода с полупроводниковыми
преобразователями частоты и напряжения для управления асинхронными двигателями различного назначения
представляет научный и практический интерес анализ режимов энергопотребления перспективных
регулируемых асинхронных электроприводов на основе транзисторных преобразователей напряжения с
широтно-импульсной модуляцией.
Поскольку основная часть общих потерь мощности в электроприводах с параметрическим управлением
рассеивается непосредственно в асинхронном двигателе (особенно при относительно низких частотах
коммутации силовых вентилей), то вопросы их исследования, получения соответствующих расчетных
зависимостей, разработки методик экспериментального определения данных потерь при питании от
полупроводниковых преобразователей представляются важными и актуальными.
Цель работы. Получение расчетных зависимостей, учитывающих влияние гармонического состава
питающего напряжения на потери в асинхронном двигателе при питании от преобразователя с ШИМ.
Материалы и результаты исследования. Анализ посвященной данной тематике литературы [1, 2]
показывает, что в настоящее время общепринятая методика расчета потерь мощности в асинхронных машинах
существует только для режимов синусоидального питания. При этом такие расчеты выполняются с
использованием эмпирических выражений. В то же время не существует единой общепризнанной методики
расчета потерь мощности от высших гармоник в асинхронных двигателях [2].
В основании предлагаемой в работе методики расчета модуляционных потерь мощности в обмотках АД
лежит эквивалентная схема замещения двигателя для высших гармоник (рис. 1).
x ′э,k
rэ′, k
u1,k
Рисунок 1 - Эквивалентная схема замещения для расчета потерь
мощности в АД при питании от преобразователя напряжения с ШИМ
Суммарные потери мощности двигателя при питании от источника напряжения с ШИМ будут определяться
суммой потерь от основной гармоники [3], которые определяются по Т-образной схеме замещения, и
модуляционными потерями.
Модуляционные потери мощности в обмотках фазы асинхронного двигателя находятся по выражению [3]:
2


U m,k
 ⋅ r′ ,
Pм.Σ = ∑ 
(1)
э, k

′ k 
k >1 2 ⋅ x ′э,k + rэ,
– эквивалентное индуктивное сопротивление фазы асинхронного двигателя для k-й
n
(
′ k = 2 ⋅ π ⋅ f k ⋅ Lэ,
′k
где x э,
)
гармоники, определяемое суммой индуктивных сопротивлений рассеяния статора и ротора;
rэ′,k – эквивалентное активное сопротивление фазы асинхронного двигателя для k-й гармоники, определяемое
суммой активных сопротивлений статора и ротора;
U m,k – амплитудное значение напряжения для k-й гармоники;
n – номер последней высшей гармоники, учитываемой при расчете потерь.
На основании выражения (1) расчет модуляционных потерь в асинхронном двигателе следует производить в
три этапа:
– определение гармонического спектра питающего напряжения;
153
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЇ
определение эквивалентных параметров схемы замещения двигателя в зависимости от частоты
гармоники;
– расчет потерь мощности по каждой гармонике с использованием схемы замещения для высших
гармоник и последующее их суммирование.
В работе расчет модуляционных потерь мощности проводится па примере асинхронного двигателя
4А100S4, который использован в установке для экспериментального исследования работы транзисторного
преобразователя напряжения. Двигатель имеет следующие параметры:
номинальная мощность – Pном = 4,5 кВт;
–
номинальный ток – I1ном = 7,5 А;
Параметры Т-образной схемы замещения (в абсолютных единицах):
xµ = 78,13 Ом; r1 = 1,03 Ом; x1 = 1,11 Ом; r2 = 0,74 Ом; x2 = 2,26 Ом.
Питание асинхронного двигателя осуществляется от транзисторного преобразователя напряжения, в
котором реализована одпополярная синусоидальная ШИМ с несущей частотой 1000 Гц,
Численный расчет электрических потерь в двигателе удобно вести с использованием компьютерного
моделирования. С данной целью в программном пакете Matlab 6.5 были созданы модели эквивалентных схем
замещения для высших гармоник. Расчет электрических модуляционных потерь производился путем
вычисления функции Pk [4], определяющей среднюю за период мощность, выделяемую на активном
сопротивлении Rс схемы замещения асинхронного двигателя для высших гармоник:
Pk =
T
1
⋅ u1, k ⋅ i1, k ⋅ dt ,
T ∫0
(4)
где T – период k-й гармоники, с.
Результаты расчетов приведены в табл. 1.
Таблица 1 – Расчетные значения потерь мощности в асинхронном двигателе, вызванных высшими
гармоническими составляющими напряжения при питании от преобразователя с ШИМ
Частота
Амплитуда
Частота
Амплитуда
∆Pм , Вт
∆Pм , Вт
гармоники,
гармоники,
гармоники,
гармоники,
(по
1
фазе)
(по
1 фазе)
Гц
В
Гц
В
550
650
850
950
1150
1250
1450
64,30
66,91
64,32
10,42
37,45
9,92
26,02
8,70
7,48
4,79
0,11
1,10
0,07
0,40
1550
1750
2050
2150
2450
2750
14,29
36,10
14,16
22,32
13,37
18,13
0,11
0,61
0,07
0,18
0,06
0,09
Суммарные модуляционные потери в фазных обмотках для трех фаз составили Σ∆Pм ≈ 71,3 Вт. Таким
образом, потери мощности в исследуемом асинхронном двигателе при номинальной выходной мощности в
условиях ШИМ питающего напряжения возрастают ориентировочно на 10 % по сравнению с работой двигателя
при синусоидальном напряжении питания [5]. По результатам расчетов были также получены зависимости
КПД исследуемого асинхронного двигателя от вращающего момента на его валу.
Выводы. В работе предложена методика определения потерь в асинхронном двигателе от действия высших
гармоник при питании от преобразователя напряжения с ШИМ. Сопоставление расчетов модуляционных потерь в
асинхронном двигателе показывает, что указанные потери практически не зависят от момента сопротивления на
валу и от частоты вращения (в исследуемом двигателе они составили порядка 10% от общих номинальных потерь).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
1. Сандлер А.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. – М: Энергия, 1974. –
328 с.
2. Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. – Кишинев:
Штиница, 1982. – 234 с.
3. Волков А.В. Потери мощности асинхронного двигателя в частотно-управляемых электроприводах с
широтно-импульсной модуляцией // Электротехника. – 2002. – №8. – С. 2-9.
4. Копылов И.П., Клоков Б.К., МорозкинВ .П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин: Учеб.
для вузов // Под ред. И.П. Копылова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 2002. – 757 с.
5. Попов А.П., Чугулёв А.О., Горшенков А.А., Клеванский С.М. О потерях в асинхронных двигателях и
погрешностях индукционных счетчиков электроэнергии в системах с частотными преобразователями //
Электрика. – 2004. – №5. – С. 33-34.
154