Вестник ИжГТУ имени М

Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова

Н. М. Шайтор
Севастопольский государственный университет,
Севастополь
Россия

А. В. Горпинченко
Севастопольский государственный университет,
Севастополь
Россия

• Главная
• О журнале
  • Редакция
  • Редакционная политика
  • Указания для авторов
  • О журнале
• Выпуски
  • Поиск
  • Последний выпуск
  • Архив
• Подписка
• Все журналы
• Этика

Динамические режимы асинхронных двигателей в приводах энергетических систем и комплексов

Аннотация

Рассматривается проблема проектирования электроприводов с асинхронными двигателями, обеспечивающими оптимальные пусковые и энергетические характеристики в динамических режимах работы электропривода.

Проведен анализ исследований и публикаций, где начато решение этой проблемы. В настоящее время в качестве электрооборудования для привода технологических установок энергетического комплекса применяются в основном асинхронные двигатели. Можно отметить значительный прогресс в создании современных, энергетически эффективных асинхронных машин за счет применения новых материалов и точных расчетов при проектировании. Вместе с тем асинхронные двигатели сохраняют отдельные недостатки, что требует специального выбора определенных конструктивных параметров и характеристик при проектировании электрооборудования для привода технологических установок динамических режимов работы.

Рассмотрены конструктивные особенности и проведен сравнительный анализ энергетических и пусковых характеристик асинхронных двигателей с различными роторами, включая короткозамкнутый ротор типа беличья клетка, с двойной клеткой, с глубоким пазом, массивный и двухслойный ротор в широком диапазоне нагрузок.

Разработана методика выбора альтернативных двигателей с использованием сравнительных диаграмм. Приведены результаты исследований асинхронных двигателей с короткозамкнутым и двухслойным ротором в наиболее тяжелых повторно-кратковременных режимах с частыми пусками, электрическим торможением и реверсом. Определены диапазоны нагрузок и характеристик динамических режимов для проектирования энергетически эффективных судовых рулевых приводов с альтернативными асинхронными двигателями, имеющими двухслойный ротор.

К таким характеристикам относятся: продолжительность и частота включений, момент инерции, наличие торможений и реверсов приводов, номинальные, пусковые и тормозные потери, характер нагрузок и перегрузок, способы вентиляции альтернативных двигателей.

Ключ. слова

Полный текст

Дополнительные файлы

Рясков Ю. И., Шайтор Н. М., Горпинченко А. В. Обзор видов защиты асинхронных двигателей, используемых в энергетических системах и комплексах // Вестник ИЖГТУ имени М. Т. Калашникова. 2019. Т. 22, № 4. С. 107–115. doi: 10.22213/2413-1172-2019-4-107-115

Исследование пускового момента и механической характеристики асинхронного двигателя для электропривода безредукторного волочильного стана / Р. Г. Мугалимов, В. И. Косматов, А. Р. Мугалимова, С. В. Кретов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика». 2019. Т. 19, № 1. С. 93–101.

Радионов А. А., Семенова Е. К. Методы современной диагностики неисправностей высоковольтных асинхронных двигателей // Аллея науки. 2018. Т. 3, № 5 (21). С. 966–975.

Лесков И. А., Троценко В. М., Калимуллин А. Т. Новые разработки в плане энергоэффективности асинхронных двигателей. Экономический расчет асинхронного двигателя с совмещенной обмоткой // APRIORI. Cерия «Естественные и технические науки». 2015. № 2. С. 1–18.

Мартынов К. В., Носков В. А., Пантелеева Л. А. Совершенствование конструкции обмотки статора асинхронного двигателя // Вестник ВИЭСХ. 2017. № 1 (26). С. 5–12.

Бурков А. Ф. Краткая эволюция электрических машин до конца XIX века // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2019. Т. 1, № 4 (40). С. 11–15.

Кононенко К. Е., Кононенко А. В., Щедрин В. В. Экспериментальная проверка влияния обрыва стержня ротора асинхронного двигателя на его работу в случае невыявления дефекта при сборке // Энергия – XXI век. 2018. № 3 (103). С. 50–56.

Особенности работы асинхронного двигателя с двухслойным ротором в корабельных насосных установках / В. Е. Высоцкий, И. В. Гуляев, А. А. Нагирняк, А. М. Олейников, В. Д. Чушев // Электро-техника. 2019. № 1. С. 2–7.

Колпахчьян П. Г., Подберезная М. С., Ольховатов Д. В. Определение параметров схемы замещения асинхронной электрической машины с массивным ротором // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2019. Т. 62, № 5. С. 31–36.

Рясков Ю. И., Шайтор Н. М., Горпинченко А. В. Релейная защита электрических машин в энергетических системах и комплексах // Энергетические установки и технологии. 2020. Т. 6, № 1. С. 77–82.

Высоцкий В. Е., Чушев В. Д., Нагирняк А. А. Малошумный асинхронный двигатель с двухслойным ротором для модельных испытаний // Энергетические установки и технологии. 2017. Т. 3, № 3. С. 33–38.

Шамсиев М. В., Абдулкеримов С. А., Шамсиев А. М. Ограничение бросков тока в электроприводах, содержащих асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором // Электричество. 2020. № 2. С. 22–26.

Гончаров К. А., Денисов И. А. Экспериментальное исследование нагруженности грузоподъемных машин при использовании систем управления с частотным преобразователем // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2018. № 1. С. 31–39.

Плотников С. М., Колмаков В. О. Упрощенное определение момента инерции асинхронного двигателя серии 4А // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2019. Т. 62, № 1. С. 87–91.

Зюзев А. М., Метельков В. П. Аналитический метод оценки нагрева обмотки ротора высоковольтных асинхронных двигателей в пусковых режимах // Электротехнические системы и комплексы. 2017. № 1 (34). С. 60–67.

Контрольные вопросы к экзамену

ч.2 и ч.3
(Основы электропривода и промышленная электроника)

1. Основные понятия об электроприводе (блок-схема, уравнение движения электропривода)
2. Вращающееся электромагнитное поле.
3. Принцип действия асинхронного двигателя.
4. ЭДС обмотки статора для асинхронного двигателя.
5. Частота тока ротора, скольжение, ЭДС обмотки ротора.
6. Синхронная частота вращения вала асинхронного двигателя, скольжение. Понятие асинхронизма.
7. Ток и эквивалентная схема фазы обмотки ротора.
8. Намагничивающие силы обмоток статора и ротора. Ток обмотки ротора.
9. Электромагнитная мощность и потери в асинхронном двигателе.
10. Момент, развиваемый асинхронным двигателем.
11. Схема замещения асинхронного двигателя.
12. Механическая характеристика асинхронного двигателя.
13. Практическое построение механической характеристики асинхронного двигателя.
14. Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
15. Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором.
16. Определение пусковых параметров асинхронного двигателя.
17. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя.
18. Тормозные режимы работы асинхронного двигателя.
19. Энергетические показатели асинхронного двигателя (n,cosu).
20. Однофазные асинхронные двигатели.
21. Принцип действия двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.
22. Выражения Е и М для двигателя постоянного тока.
23. Реакция якоря, ее негативное влияние на работу двигателя постоянного тока, способы компенсации реакции якоря.

24. Двигатель постоянного тока. Виды возбуждения, их особенности.
25. Электрическая схема включения двигателя постоянного тока. Уравнение электрического равновесия цепи якоря двигателя.
26. Естественные характеристики двигателя постоянного тока.
27. Пуск двигателя постоянного тока.
28. Регулирование частоты вращение двигателя постоянного тока.
29. Тормозные режимы двигателя постоянного тока.
30. Потери в двигателе постоянного тока и КПД.
31. Универсальный коллекторный двигатель.
32. Конструкция и принцип действия синхронного двигателя. Механическая и угловая характеристики.
33. Достоинства и недостатки синхронного двигателя. Пуск синхронного двигателя.
34. Конструкция и принцип действия шагового двигателя, управление двигателем.
35. Переходные процессы и выбор мощности двигателя.
36. Конструкция асинхронного двигателя. Разновидность, назначение и исполнение отдельных элементов конструкции.
37. Конструкция двигателя постоянного тока. Назначение и исполнение отдельных элементов конструкции.
38. Простейшая схема управления асинхронным двигателем, её основные элементы и их назначение.
39. Реверсивная схема управления асинхронным двигателем. Механическая характеристика.
40. Схема управления пуском асинхронного двигателя с фазным ротором.
41. Схема управления торможением асинхронного двигателя.
42. Схема управления асинхронным двигателем в функции пути.
43. Схема управления асинхронным двигателем в функции скорости.
44. Схема управления асинхронным двигателем в функции времени.
45. Простейшая схема управления двигателем постоянного тока, её основные элементы и их назначение.
46. Реверсивная схема управления пуском двигателя постоянного тока.
47. Схема управления пуском двигателя постоянного тока.
48. Схема управления торможением двигателя постоянного тока.
49. Схема управления двигателем постоянного тока в функции пути.

50. Схема управления двигателей постоянного тока в функции скорости.
51. Схема управления двигателем постоянного тока в функции времени.
52. Практическая блок-схема управления современным электроприводом.
53. Принцип действия биполярного транзистора, основные параметры и характеристики.
54. Принцип действия полевого транзистора, основные параметры и характеристики.
55. Принцип действия полупроводникового вентиля, основные параметры и характеристики. Схемы применения.
56. Принцип действия тиристора, основные параметры и характеристики. Схемы применения.
57. Принцип действия стабилитрона, основные параметры и характеристики. Схемы применения.
58. Преобразователи (выпрямители, инверторы, конверторы, импульсные). Назначение, схемы,
диаграммы.
59. Однополупериодная и мостовая схемы выпрямления. Диаграммы, основные параметры, достоинства и недостатки.
60. Трехфазная мостовая схема выпрямления. Диаграмма, основные параметры.
61. Управляемый выпрямитель на тиристорах. Схема, диаграммы, основные характеристики.
62. Импульсный преобразователь на тиристорах. Схема, принцип действия, диаграммы, применение.
63. Индуктивный и емкостной фильтры. Схемы включения, особенности работы, диаграммы применение.
64. Параметрический стабилизатор. Схема, принцип действия, графоаналитический метод расчета.
65. Автономный резонансный инвертор. Схема, принцип действия, диаграммы область применения.
66. Усилители аналоговых сигналов. Определения, классификация, параметры, характеристики.
67. Обратные связи в усилителях. Воздействие обратной связи на параметры и характеристики усилителя.
68. Усилительный каскад на биполярном транзисторе. Схема, принцип работы, назначение элементов схемы.
69. Графоаналитический расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе.
70. Режимы усиления транзистора. Диаграммы, функциональное применение режимов усиления.
71. Эмитерная стабилизация режима работы усилительного каскада на биполярном транзисторе. Схема, принцип действия.
72. Усилители постоянного тока. Определение, дрейф нуля и способы его компенсации.
73. Балансный (мостовой) усилитель постоянного тока. Схема, принцип действия, параметрические
ограничения применения схемы.
74. Усилители мощности. Схема, режим (класс) усиления, принцип действия, диаграммы.
75. Понятие об интегральных микросхемах. Операционный усилитель (ОУ). Определение, разновидности обратных связей.
76. Операционный усилитель (ОУ). Основные особенности, функциональные схемы применения.
77. Импульсные сигналы. Формы, параметры, достоинства. Дискретное слово.
78. Основные логические элементы и схемы.
79. Триггеры. Определение, RS-триггеры на логических элементах, синхронный триггер.
80. Т-триггер, MS-триггер и их диаграмма работы, условные обозначения. JК-триггер, D- триггер, их особенности и условные обозначения.
81. Цифровые счетчики импульсов. Определение, функциональные разновидности. Двоичный трехразрядный счетчик. Схема, диаграмма, условное обозначение, таблица переходов.
82. Регистры. Определение, схема, принцип действия, условное обозначение, разновидности, применение.
83. Дешифраторы. Определение, условные обозначения, таблица состояний дешифратора. Схема семисегментного дешифратора. Принцип действия, таблица состояний.
84. Компаратор. Определение, работа схемы простейшего компаратора на ОУ, его передаточная характеристика, условное обозначение, инвертирующий компаратор. Триггер Шмитта. Определение схема на ОУ, передаточная характеристика, условное обозначение, конвертирующий триггер Шмитта.
85. Мультивибратор на ОУ. Определение, схема, диаграммы, применение.
86. Таймер. Определение, схема управления нагрузкой в функции времени на ОУ, диаграммы.
87. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Определение, схема на ОУ, условное обозначение, аналитическая схема преобразования, применение.
88. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Определение, схема, принцип действия, диаграмма преобразования, применение.

Основные нагрузочные свойства асинхронных электродвигателей

Асинхронные двигатели в процессе эксплуатации работают с нагрузками на валу от холостого хода до номинальной. Напряжение и частота сети могут сохранять номинальные значения или длительно изменяться в зависимости от режима работы энергосистемы. Под нагрузочными свойствами асинхронного двигателя при отклонениях напряжения и частоты подразумеваются изменения основных параметров, характеризующих его установившийся режим, -ЭДС магнитного потока, вращающего момента, скольжения и частоты ротора, модуля и фазы тока ротора, намагничивающего тока, модуля и фазы тока статора.

Встречается необходимость использования двигателя для работы в сети с напряжением и частотой, отличающимися от его номинальных значений, в случаях:
а) применения двигателей, рассчитанных на частоту 60 Гц, в сети с частотой 50 Гц;
б) работы двигателя с нормальным соединением обмотки статора в звезду, в сети другого номинального напряжения — при соединении обмотки статора в треугольник;
в) переключения обмотки статора на звезду вместо нормального соединения треугольником для уменьшения потерь активной мощности и потребления реактивной мощности незагруженных двигателей.

Рассмотрим сначала в общих чертax явления, происходящие в двигателе при отклонении от номинальных значений нагрузки на валу (момента сопротивления приводимого двигателем механизма), напряжения и частоты питающей сети. По основным параметрам режима определяются такие важные факторы, как нагрев активных частей двигателя, изменение потерь и КПД, потребление из сети активной и реактивной мощностей, изменение начального вращающего момента при неподвижном роторе (для оценки возможности пуска двигателя при отклонениях напряжения и частоты).

Определим общий характер изменения перечисленных выше величин, исходя из основных соотношений, принимая для упрощения момент сопротивления механизма не зависящим от угловой скорости ротора. Изменение нагрузки на валу двигателя при номинальных напряжении и частоте питающей сети. Рассмотрим влияние увеличения нагрузки на валу на основные параметры установившегося режима. Вследствие увеличения нагрузки угловая скорость ротора несколько снижается, а следовательно, скольжение увеличивается до такого значения, при котором вращающий момент двигателя уравновешивает повышенный момент сопротивления. Поскольку при скольжениях меньше критического сопротивление статора составляет незначительную долю общего сопротивления двигателя, то ЭДС, магнитный поток и намагничивающий ток практически не изменяются при изменении нагрузки.

Увеличение вращающего момента двигателя сопровождается соответствующим увеличением тока ротора. С увеличением скольжения возрастает фазный угол приведенного тока ротора, что приводит к увеличению реактивного тока двигателя, практически равного сумме индуктивного намагничивающего тока и реактивной составляющей приведенного тока ротора. В связи с ростом активной и реактивной составляющих тока статора последний также возрастает при увеличении нагрузки на валу. Увеличение токов ротора и статора обусловливает возрастание потерь в меди обмоток.

У двигателей нормального исполнения с короткозамкиутым и с фазным роторами при нормальной работе с закороченным реостатом угловая скорость ротора при изменении нагрузки в пределах номинальной изменяется незначительно и поэтому мощность на валу увеличивается практически пропорционально моменту сопротивления. В связи с увеличением реактивного тока двигателя при увеличении нагрузки увеличивается реактивная мощность, потребляемая из сети. При уменьшении нагрузки на валу скольжение, ток ротора и его фаза, а также ток статора уменьшаются, что приводит к снижению потребления двигателем из сети активной и реактивной мощностей.

При определении полезной мощности на валу двигателей с повышенным скольжением, а также двигателей с фазным ротором, работающих нормально с регулировочным реостатом, следует учитывать изменение угловой скорости ротора. Изменение напряжения при номинальной частоте. Предположим, что напряжение, подводимое к обмотке статора двигателя, работающего с постоянным моментом сопротивления, уменьшилось. Вследствие уменьшения напряжения уменьшаются ЭДС двигателя и магнитный поток. Вращающий момент двигателя, пропорциональный квадрату напряжения, окажется при прежнем скольжении меньше, чем момент сопротивления, и скольжение двигателя увеличится до такого значения, при котором вновь наступит равенство между указанными моментами.

Увеличение скольжения вызовет возрастание тока ротора и увеличение угла сдвига между приведенным током ротора и напряжением сети. При уменьшении напряжения намагничивающий ток уменьшается, а ток статора, равный геометрической сумме приведенного тока ротора и тока холостого хода, в зависимости от загрузки и соотношения между намагничивающим током и током ротора может увеличиться или уменьшиться. При увеличении напряжения увеличатся ЭДС и магнитный поток, а скольжение и ток ротора уменьшатся. Намагничивающий ток увеличится, а ток статора может увеличиться или уменьшиться в зависимости от загрузки двигателя и указанного выше.

Таким образом, понижение напряжения всегда вызывает увеличение тока ротора, а увеличение напряжения — уменьшение тока ротора. Работа с напряжением, пониженным более чем на 5 % номинального, допустима согласно ГОСТ 183-74 только при условии, что нагрузка двигателя меньше номинальной. При несоблюдении этого обстоятельства возможен перегрев обмотки ротора и, как следствие, ее преждевременный износ. Мощность, развиваемая двигателем, останется практически без изменения, так как угловая скорость ротора изменится незначительно.

Изменение частоты при номинальном напряжении

Рассмотрим случай, когда двигатель с постоянным моментом сопротивления на валу питается при номинальном напряжении от сети с частотой меньше номинальной. Уменьшение частоты вызовет увеличение магнитного потока и увеличение вращающего момента. Поскольку момент сопротивления остается постоянным, скольжение уменьшится так, чтобы сохранилось равновесие между вращающим моментом двигателя при пониженной частоте и моментом сопротивления. Вследствие увеличения потока уменьшится ток ротора, а ток холостого хода увеличится. Ток статора может увеличиться или уменьшиться, так же как для случая повышения напряжения. Таким образом, понижение частоты практически равнозначно увеличению напряжения.

Следовательно, если при понижении частоты соответственно уменьшить напряжение, то магнитный поток, а следовательно, и токи холостого хода, ротора и статора останутся такими же, как и при нормальной работе. При этом будет иметь место некоторое изменение потерь в стали, а следовательно, и активной составляющей тока холостого хода. Эти изменения практически не скажутся на токе статора. Однако существенным отличием от рассмотренных выше двух режимов будет значительное изменение угловой скорости ротора, практически пропорциональной частоте статора.

Во всех случаях, когда имеет место изменение угловой скорости ротора двигателя, происходит изменение полезной мощности на валу и производительности механизма. Полезная мощность на валу изменяется пропорционально произведению момента сопротивления на угловую скорость. Поэтому для рассмотрения режима работы двигателей при любых значениях нагрузки на валу, напряжения и частоты питающей сети необходимо знать характеристики моментов сопротивления механизмов

ВЕНТИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

Погружные вентильные электродвигатели «Новомет»

Вентильные электродвигатели — это изделия с лучшими энергетическими характеристиками по сравнению с асинхронными. ГК «Новомет» является одним из лидеров отрасли по производству надежных и эффективных погружных вентильных электродвигателей (ПВЭД). Применение вентильного электродвигателя сокращает количество энергии, потребляемой УЭЦН до 15%. А при сочетании вентильных электродвигателей и энергоэффективных насосов, затраты на электроэнергию при эксплуатации УЭЦН снижаются в среднем на 25-30%.

Для производства энергии требуется энергия!

На сегодня наиболее распространенным способом добычи жидкости из скважины является механизированная добыча с применением установок электроцентробежного насоса (УЭЦН). В наше время многие нефтяные и нефтесервисные компании вкладывют миллионы долларов в технологии разведки, бурения и заканчивания скважин, однако не уделяют того же внимания поиску более эффективных способов добычи углеводородов. За последнее десятилетие основной целью ГК «Новомет» является поиск и совершенствование эффективных способов снижения затрат на механизированную добычу.

ПРЕИМУЩЕСТВА

область применения

• УЭЦН в скважинах типовой конструкции
• Энергоэффективные УЭЦН
• УЭЦН малых габаритов для боковых стволов, технология ColibriESP
• Установки винтовых насосов с нижним приводом
• Установки объемно-роторных насосов
• УЭЦН для подъема геотермальных вод

возможности

Сокращение затрат на электроэнергию при подъеме жидкости из скважины.

Применение при различных осложняющих факторах, где применение асинхронного ПЭД затруднительно:

• на скважинах с вязкой нефтью
• с нестабильной подачей (работа в цикличном режиме)
• на малодебитных скважинах
• со сложными условиями эксплуатации (после гидроразрывов и других способов увеличения добычи нефти)
• на скважинах с высокой температурой жидкости (трудноизвлекаемые запасы, геотермальные воды)

особенности

• Широкая линейка типоразмеров, в том числе двигатели сверхмалых габаритов — 55 и 81 мм для использования с установками ColibriESP и SlimlineESP
• Пониженное удельное тепловыделение на единицу мощности

Потери электроэнергии в асинхронных электродвигателях

В серийных асинхронных электродвигателях используется преобразование переменного тока, поданного на обмотки статора, во вращающееся электромагнитное поле. Так как обмотка ротора имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора и создаёт вращательный момент, приводящий в движение ротор. Таким образом, вместо того, чтобы использовать всю потребляемую электроэнергию для создания вращения ротора, около 13% ее тратится на создание и поддержание электромагнитного поля, и в конечном итоге теряется на нагрев.

Прорыв в технологии электроприводов УЭЦН

В отличие от асинхронных двигателей, в вентильных ПЭД для создания вращательного момента вместо обмотки в роторе используются редкоземельные постоянные магниты, а также специальная схема подачи питающего напряжения на обмотку статора. Как результат — повышение КПД и и снижение энергопотребления двигателя примерно на 15%.

Управление работой двигателя осуществляется с помощью электронных ключей (так называемых вентилей), переключение которых выполняется станцией управления по специальной программе. Кроме того, станция управления формирует регулируемую частоту питания двигателя, от которой напрямую зависит его частота вращения и полезная мощность на валу.

Основные элементы вентильного электродвигателя — статор с трехфазной обмоткой, ротор с постоянными магнитами, головка и основание. Магнитопровод статора состоит из листов электротехнической стали с термостойким покрытием, которые запрессованы в трубчатый корпус. Обмотка статора однослойная, протяжная, катушечная, выполнена теплостойким обмоточным проводом по схеме «звезда» с выводом общей точки для системы контроля параметров установки. Ротор с постоянными магнитами установлен в расточке статора на подшипниках скольжения.