Что такое ток намагничивания асинхронного двигателя

Requested virtual server does not exist or temporarily unavailable.

Возможные причины ошибки:
Possible causes of error :

The server is overloaded;
The virtual server has been incorrectly configured;
Service for requested resource is suspended;

Свяжитесь с нами для получения подробной информации. Контакты
Contact us for more information. Our contacts

Iмаг — ток намагничивания статора, требуемый для создания необходимого потока и необходимой противоЭдс е1 в обмотке статора;

Для более правдивого представления данной эквивалентной цепи по отношению к условиям изменяемой частоты необходимо отметить несколько моментов:

Сегодня стандартные асинхронные двигатели с «беличьей клеткой» обычно включают в себя глубокие пластины ротора, сопротивление которых изменяется с частотой тока ротора из-за эффекта скольжения, таким образом, что его сопротивление в неподвижном состоянии больше, чем при вращении, когда частота тока ротора очень мала. Значение сопротивления ротора в неподвижном состоянии в четыре раза больше, чем при вращении. Индуктивность ротора может также изменяться с изменением частоты тока ротора. Тем не менее, эта информация используется и требуется только для изучения работы двигателя при значительных уровнях скольжения, при частотном регулировании в ней нет необходимости до тех пор, пока скольжение мало. Для частотного регулирования эквивалентом значений R2 и L2 могут быть их значения при низкой частоте.

Ток намагничивания Iмаг, как правило, нелинейно зависит от индуцируемого напряжения, так как двигатели конструируются исходя из достижения значения потока в магнитопроводе близкого к насыщению. Рис. 8 является типичным и будет использован в дальнейшем.

Рис. 8 Кривая тока намагничивания

Дальнейшее упрощение

Трудоемкость расчетов, основанных на данной эквивалентной цепи, может оказаться неоправданно велика в некоторых случаях. В этих случаях можно прибегнуть к дальнейшему упрощению эквивалентной цепи, полагая при этом, что скольжение по прежнему остается незначительным.

Упрощение основывается на следующем:

Т.к. скольжение мало (см. рис. 7) магнитная составляющая сопротивления ротора R2/S1 всегда на много больше, чем Х2 и, следовательно, без большой степени ошибки значением Х2 можно пренебречь.

Если необходимо проследить лишь общие тенденции работы двигателя, то можно пренебречь падением напряжения в обмотке статора.

Аналогично, можно пренебречь потерями в магнитопроводе, т.к. они относительно малы.

Результат упрощения эквивалентной цепи показан на рис. 9.

Рис. 9. Упрощенная эквивалентная цепь.

1.6 Векторная диаграмма

Для общего понимания может быть полезна векторная диаграмма, построение которой будет выполняться при следующих условностях

Предполагается, что вектора вращаются в направлении против часовой стрелки.

Вектор потока опережает вектор индуцируемого им напряжения на 90. Необходимо заметить, что вектор потока является результатом взаимодействия МДС 3х фаз.

Вектор тока намагничивания, создающий поток, показан в фазе с вектором потока.

Векторы падения напряжения в сопротивлении показаны в противофазе с током.

Векторы падения напряжения в индуктивности показаны отстающими от вектора тока на 90.

Рис. 10. Векторная диаграмма асинхронного двигателя.

Вектор потока (см. рис. 10) Ф1м показан горизонтально и это индуцирует напряжение Е1 в обмотке статора. Вектор тока I2 показан отстающим от противоЭДС (-E1) из-за индуктивности ротора L2.

Ток намагничивания Iмаг находится в фазе с вектором потока и ток потерь в магнитопроводе I_L находится в фазе с противоЭДС (-E1). Выполняя векторное сложение с I2, получаем I1 — ток статора.

Ток статора вызывает падение напряжения в R1 и L1 и разница между прикладываемым напряжением V1 и индуцируемым (-Е1) составляет I1R1 + I1X1.

Данная диаграмма включает все основные параметры и может быть использована для определения работы двигателя на всем диапазоне регулирования с приемлемой степенью точности.

Упрощенная векторная диаграмма

В соответствии с упрощенной эквивалентной цепью (см. рис. 9) можно построить упрощенную векторную диаграмму. На практике угол  мал из-за условий работы с малым уровнем скольжения, и его можно принять равным нулю. Угол  также мал на большинстве диапазона регулирования. На рис.11 показана упрощенная векторная диаграмма, соответствующая упрощенной эквивалентной цепи.

Векторная диаграмма при изменении частоты

При эксплуатации двигателя от частотно-регулируемого привода обычно необходимо сохранить значение потока Ф1м постоянным в регулируемом диапазоне частот соответствующим изменением напряжения и частоты. В результате, единственным серьезным фактором, который можно изменять на векторной диаграмме является величина соотношения вектора напряжения к вектору тока. Векторы напряжения V1 и -E1 уменьшаются с уменьшением частоты, но все вектора по отношению к векторам тока остаются практически неизменными при одинаковых значениях нагрузочного момента.

Причиной этого является то, что при уменьшении частоты уменьшается реактивная составляющая сопротивления ротора Х2 и так как при том же значении момента увеличивается скольжение, соотношения параметров цепи ротора остаются неизменными, таким образом угол  изменяется незначительно. Единственной обратной стороной является то, что значение I_L уменьшается с уменьшением частоты таким образом, что при малой частоте геометрическое место точек вектора I1 будет очень незначительно отличаться от исходного геометрического места точек АВС.

Рис. 11. Упрощенная векторная диаграмма

Оптимизация времен намагничивания и размагничивания остановленного частотнорегулируемого асинхронного двигателя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Волков В.А.

Цель работы. Получение аналитических зависимостей для расчета экстремальных (минимальных) значений основных электрических потерь энергии трехфазного короткозамкнутого асинхронного двигателя в режимах его намагничивания и размагничивания и определение соответствующих этим режимам оптимальных значений времен намагничивания и размагничивания. Методы исследования. Математического анализа, теории подобия и имитационного компьютерного моделирования. Полученные результаты. Получены аналитические зависимости для расчета основных электрических потерь мощности и энергии в режимах намагничивания и размагничивания остановленного короткозамкнутого частотно-регулируемого асинхронного двигателя применительно к различным видам (линейному, параболическому и в функции гиперболического синуса) траекторий изменения модуля потокосцепления ротора двигателя. Проведено исследование переходных электромагнитных и энергетических процессов этого двигателя в указанных режимах. Определены минимально возможные значения основных потерь энергии остановленного двигателя в режимах его намагничивания и размагничивания и соответствующие им оптимальные значения времен намагничивания и размагничивания при упомянутых разных видах траекторий изменения потокосцепления ротора двигателя.. Научна новизна. Состоит в получении аналитических расчетных зависимостей для определения оптимальных времен намагничивания и размагничивания остановленного частотно-регулируемого асинхронного двигателя , которые обеспечивают минимизацию его основных потерь энергии в режимах намагничивания и размагничивания. Практическая ценность. Снижение непроизводительных потерь энергии для частотно-регулируемых асинхронных двигателей при режимах их намагничивания и размагничивания.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

OPTIMIZATION OF TIMES OF MAGNETIZATION AND DEMAGNETIZATION OF A STOPPED FREQUENCY-REGULATED ASYNCHRONOUS MOTOR

Purpose. Obtaining analytical dependencies for calculating the extreme (minimum) values of the main electrical energy losses of a three-phase short-circuited asynchronous engine in the regimes of its magnetization and demagnetization and determining the optimal values of the magnetization and demagnetization times corresponding to these regimes. Methodology. Mathematical analysis, the theory of similarity and imitational computer modeling. Findings. Analytical dependences are obtained for calculating the main electric power and energy losses in the magnetization and demagnetization regimes of a stopped short-circuited frequency-controlled asynchronous motor with reference to various types (linear, parabolic and in hyperbolic sinus functions) of the rotor flux modulus of the motor. The study of transient electromagnetic and energy processes of this engine in the specified regimes. The minimum possible values of the main energy losses of a stopped engine in the regimes of its magnetization and demagnetization and the corresponding optimal values of the times of magnetization and demagnetization are determined for the different types of trajectories of change in the engine-linking rotor of the motor. Originality. It consists in obtaining analytical calculation dependences for determining the optimal magnetization times and demagnetization of the stopped frequency-controlled asynchronous motor , which ensure the minimization of its main energy losses in the magnetization and demagnetization regimes. Practical value. Reduction of unproductive energy losses for frequency-controlled asynchronous motor with their magnetization and demagnetization regimes.

Текст научной работы на тему «Оптимизация времен намагничивания и размагничивания остановленного частотнорегулируемого асинхронного двигателя»

ОПТИМИЗАЦИЯ ВРЕМЕН НАМАГНИЧИВАНИЯ И РАЗМАГНИЧИВАНИЯ ОСТАНОВЛЕННОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

ВОЛКОВ В. А. канд. техн. наук, докторант НТУ «Днепровская политехника», г. Днепр, Украина, е-

Методы исследования. Математического анализа, теории подобия и имитационного компьютерного моделирования.

Полученные результаты. Получены аналитические зависимости для расчета основных электрических потерь мощности и энергии в режимах намагничивания и размагничивания остановленного короткозамкнутого частотно-регулируемого асинхронного двигателя применительно к различным видам (линейному, параболическому и в функции гиперболического синуса) траекторий изменения модуля потокосцепления ротора двигателя. Проведено исследование переходных электромагнитных и энергетических процессов этого двигателя в указанных режимах. Определены минимально возможные значения основных потерь энергии остановленного двигателя в режимах его намагничивания и размагничивания и соответствующие им оптимальные значения времен намагничивания и размагничивания при упомянутых разных видах траекторий изменения потокосцеп-ления ротора двигателя..

Научна новизна. Состоит в получении аналитических расчетных зависимостей для определения оптимальных времен намагничивания и размагничивания остановленного частотно-регулируемого асинхронного двигателя, которые обеспечивают минимизацию его основных потерь энергии в режимах намагничивания и размагничивания.

Практическая ценность. Снижение непроизводительных потерь энергии для частотно-регулируемых асинхронных двигателей при режимах их намагничивания и размагничивания.

Ключевые слова: асинхронный двигатель; частотное регулирование; потери электрической энергии; оптимизация.

В настоящее время в мире и Украине нашли широкое применение и продолжают внедряться во всех отраслях хозяйства короткозамкнутые частотно-регулируемые асинхронные двигатели (ЧРАД). Причем значительная часть из этих двигателей функционирует в повторно-кратковременных режимах с частыми пусками и торможениями (например, на крановых механизмах и лифтах, в насосных агрегатах канализационных станций, в тяговых приводах городского электротранспорта и др.).

В связи с наблюдающимся удорожанием электрической энергии представляется актуальной задача снижения потерь электроэнергии для указанных ЧРАД в режиме их намагничивания (служащем для создания требуемого значения рабочего магнитного потока в двигателе перед началом его разгона) и режиме размагничивания (предназначенном для уменьшения до нуля магнитного потока двигателя после снижения его скорости до нуля при продолжительной остановке).

II. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПУБЛИКАЦИЙ

Вопросам уменьшения непроизводительных потерь электроэнергии при режимах намагничивания и размагничивания остановленных частотно-регулируемых электрических машин переменного тока в известной научно-технической литературе посвящены публикации [1]-[3]. В частности, в статье [1] предложено и исследуется энергосберегающее управление частотно-регулируемым асинхронным двигателем с использованием ступенчато изменяемой формы намагничивающей составляющей статорного тока этого двигателя, а в публикации [2] — рассмотрена оптимизация траектории (в виде временной функции гиперболического синуса) изменения потокосцепления ротора при намагничивании и размагничивании, обеспечивающая минимизацию электрических потерь энергии данного двигателя в указанных режимах.

Публикация [3] посвящена оптимизации траектории изменения потокосцепления синхронной машины, содержащей обмотку возбуждения и снабженной демпферной обмоткой. Посредством предложенных в этой статье траекторий (в виде суммы двух экс-

ISSN 2521-6244 (Online) (Роздш «Електротехшка»)

поненциальных временных функций) изменения по-токосцепления этой машины достигается минимизации общих электрических потерь в ней и тиристорном возбудителе при режимах намагничивания и размагничивания. В работе [3] также установлено, что существуют определенные (оптимальные) длительности времен намагничивания и размагничивания синхронной машины, при которых электрические потери энергии в ней минимальны.

В известных основополагающих монографиях, в которых оптимизируются потери мощности [4] либо исследуются переходные электромагнитные процессы [5] для различных видов электрических машин (синхронной и асинхронной) переменного тока или рассматривается энергосберегающее частотное управление этими электрическими машинами [6], [7] и электроприводами на их основе [8] — [10], к большому сожалению, вопросам оптимизации режимов намагничивания и размагничивания данных машин вообще не уделено внимания.

Таким образом, до настоящего времени в известной научно-технической литературе отсутствуют (несмотря на их практическую востребованность, исходя из потребностей энергосбережения) исследования относительно определения минимальных значений потерь энергии в режимах намагничивания и размагничивания ЧРАД и соответствующих им оптимальных значений времен намагничивания и размагничивания данного двигателя.

III. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью предложенной статьи являются получение аналитических зависимостей для расчета экстремальных (минимальных) значений основных электрических потерь энергии трехфазного короткозамкнуто-го асинхронного двигателя в режимах его намагничивания и размагничивания и определение соответствующих этим режимам оптимальных значений времен намагничивания и размагничивания двигателя.

IV. ИЗЛОЖЕНИЕ ОСНОВНОГО МАТЕРИАЛА И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

При исследованиях были приняты следующие допущения:

— рассматривались только основные составляющие электрических потерь мощности и энергии ко-роткозамкнутого ЧРАД, вызванные основными составляющими фазных статорных токов (то есть, не учитывалось влияние высших гармонических составляющих фазных статорных напряжений и токов двигателя, вызванных пульсациями напряжения на выходе статического преобразователя частоты, питающего статорные обмотки);

— при исследованиях внутренние параметры (активные сопротивления и индуктивности) схемы замещения ЧРАД принимались неизменными;

— полагается использование для ЧРАД векторно-

го способа управления, при котором осуществляется независимое (то есть, без воздействия на значение электромагнитного момента) регулирование модуля потокосцепления ротора двигателя [2],[10];

— полагается рекуперативное исполнение статического преобразователя частоты, при котором существует возможность возврата накопленной электромагнитной энергии двигателем через преобразователь частоты в питающую сеть;

— частота основной гармоники фазных статорных токов, активная составляющая обобщенного вектора статорного тока, скорость и электромагнитный момент рассматриваемого остановленного двигателя при исследуемых режимах его намагничивания и размагничивания полагались равными нулю;

— в расчетах и исследованиях применялись общепринятые для асинхронных машин условные обозначения их параметров и математическое описание этой машины в ортогональной координатной системе «х-у», связанной вещественной осью «х» с обобщенным вектором ее потокосцепления ротора [10];

— все расчетные зависимости для ЧРАД приводятся в общепринятой для машин переменного тока системе относительных единиц (о.е.) [11].

Исследования проводились на примере параметров тягового асинхронного электродвигателя АТМ225М4У2 (с номинальными: линейным действующим напряжением 450В, частотой 50 Гц, мощностью 55кВт и коэффициентом полезного действия 92%), характеризующегося: номинальным значением потокосцепления ротора ¥гн = 0.8724 о.е.; активным сопротивлением статора = 0.02506 о.е. и приведенным (к статору) активным сопротивлением ротора Яг = 0.01407 о.е.; индуктивностью намагничивания

индуктивностью рассеяния статора

Ь^ = 0.06866 о.е. и приведенной (к статору) индуктивностью рассеяния ротора Ьог = 0.08239 о.е.

С учетом принятых допущений и согласно [2], [10] приведем аналитические зависимости:

i1 = i1x =-— Rr + Tr ‘ (r)- (‘r =’ r

U1 = (R + Rd ) • i1 + (R + krLor )’ ^ + kr • % —

T r ^L^^ / krRr — kr + ^Lor) —

tH tp AWnau = \APs • dt — AWpasu = \APs •dt

Рисунок 1. Эквивалентная схема замещения остановленного ЧРАД для режимов намагничивания и размагничивания

описывающие электромагнитные и энергетические процессы при намагничивании и размагничивании остановленного ЧРАД, а также представим на рис.1 эквивалентную схему замещения данного двигателя для рассматриваемых режимов.

В зависимостях из (1) и на рис.1 используются следующие обозначения: Ul и il — модули обобщенных векторов соответственно статорных напряжения и тока, создаваемых основными гармоническими составляющими фазных статорных напряжений и токов ЧРАД; ilх и im — основные составляющие соответственно намагничивающей составляющей статорного тока и тока намагничивания двигателя; er — электродвижущая сила (ЭДС) ротора ЧРАД; = dTr /dt -производная от модуля потокосцепления ротор по времени; Rд — эквивалентное активное сопротивление, учитывающее добавочные потери мощности двигателя (Rд = 0.005Pн / цн, где Pн и цн номинальные значения соответственно мощности и коэффициента полезного действия двигателя [10]; ЛРэ — основные электрические потери мощности остановленного ЧРАД; AWнам и AWразм — основные электрические

потери энергии ЧРАД соответственно в режимах его намагничивания и размагничивания; tн и tр — длительности времен режимов намагничивания и размагничивания соответственно; г — текущее время, отсчитываемое от начала и на протяжении рассматриваемого режима намагничивания или размагничивания ЧРАД: 0 < t < гн и 0 < г < гр.

При этом в [2] с использованием уравнения Эйлера из теории вариационного исчисления [12] установлено, что наименьшие значения:

AWhom = min и Шразм = min

основных электрических потерь энергии (ОЭПЭ) частотно-регулируемого асинхронного двигателя при режимах намагничивания и размагничивания обеспечиваются посредством траекторий изменения модуля потокосцепления ротора в виде временных функций гиперболического синуса

Тг = Тгн—— при намагничивании,

которые будем показывать далее «оптимальными».

В зависимостях из (3) эквивалентная постоянная времени Тэ ЧРАД для режимов намагничивания и размагничивания находится из соотношений [2]:

На первом этапе выполним исследование изменения ОЭПЭ AWнам и AWразм для остановленного

ЧРАД при варьировании длительностей его времен намагничивания гн и размагничивания г р применительно к рассматриваемому двигателю АТМ 225М4У2 и оптимальному виду траекторий из (3) изменения его модуля ^ потокосцепления ротора.

Для этого, подставив соотношения из (3) в окончательное выражения для потерь мощности ЛРэ из (1),

а затем полученные зависимости в последние два соотношения из (1), рассчитаем зависимости ОЭПЭ AWнам и AWразм для ЧРАД в режимах намагничивания и размагничивания при варьировании длительностей времен намагничивания гн и размагничивания гр, которые представлены в виде графических зависимостей на рис.2 (обозначенных при оптимальных видах траекторий цифровой «1»). Для сравнения там же показаны графические зависимости ОЭПЭ AWнам и AWразм рассматриваемого ЧРАД при линейном:

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

видах траекторий изменения модуля потокосцепления ротора при исследуемых режимах (которые показаны на этом рисунке соответственно цифрами «2» и «3»). При этом в зависимостях из (3), (5) и (6), описывающих траектории изменения модуля потокосцепле-

На втором этапе найдем аналитические расчетные зависимости для определения минимальных значений ОЭПЭ Л]¥НОст, А1¥°азм остановленного ЧРАД

в режимах намагничивания и размагничивания и соответствующих им оптимальных длительностей времен намагничивания ^ и размагничивания ^ применительно для линейного вида траекторий изменения потокосцепления ротора двигателя.

Подставив зависимости из (5) в окончательное соотношение для потерь мощности АРэ из (1), получим расчетные зависимости для текущего значения основных электрических потерь мощности остановленного ЧРАД в режимах намагничивания:

■(t р-t — Tr )2 + ~Rt R

Рисунок 2. Зависимости ОЭПЭ для ЧРАД в режимах намагничивания (а) и размагничивания (б) при варьировании длительности времен намагничивания и размагничивания 1р для оптимального 1,

линейного 2 и параболического 3 видов изменения модуля ¥г потокосцепления ротора

ния ротора ЧРАД, текущее время t отсчитывается от начала и на протяжении рассматриваемого интервала намагничивания или размагничивания: 0 < t < tн

Из анализа представленных на рис.2 графических зависимостей следует, что зависимости ОЭПЭ А^нам и А1¥разм от длительностей времен намагничивания tн и размагничивания tр имеют для всех видов рассматриваемых траекторий (оптимальной, линейной и параболической) изменения модуля пото-косцепления ротора экстремальные (минимальные)

значения АТ¥н°ам и АТ¥°азм, достигаемые при определенных (оптимальных) значениях времен намагничивания ^ и размагничивания ^ . Численные значения

длительностей времен намагничивания ^ и размагничивания ^ применительно к параметрам двигателя

АТМ 225М4У2 и оптимальному, линейному и параболическому виду траекторий изменения модуля потокосцепления ротора представлены в табл.1.

Далее, подставив зависимости (7) и (8) в два последних соотношения из (1), определим расчетные математические выражения для ОЭПЭ в ЧРАД при режимах намагничивания:

Почему намагничивающий ток Асинхронного двигателя составляет (25. 50%) , а трансформатора составляет (3 . .10%) ?

Ток намагничивания оценивается током холостого хода.У трансформатора все просто.Пренебрегают потерями в меди и ток холостого хода приравнивается к току намагничивания.У АД больше потерь. Ротор крутится — совершается работа.Трение в подшипниках, потери в меди — можно пренебречь.В отличии от трансформатора вторичная обмотка (ротор) у АД замкнут.Потери от тока ротора (скольжение).Этого нет у трансформатора.

Остальные ответы

Подумай, чем железка в двигателе отличается от железки в трансформаторе.
. кроме формы

Потому что зазор большой и ротор короткозамкнутый.

Что такое ток намагничивания асинхронного двигателя