Сокращение номенклатуры асинхронных рольганговых электродвигателей путем замены их двигателями переменной частоты

ВЕСТНИК

ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Вып.№8

1999 г

УДК 313.333

Днепровский В.В.1, Киселев Д.В.Г

СОКРАЩЕНИЕ НОМЕНКЛАТУРЫ АСИНХРОННЫХ РОЛЬГАНГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПУТЕМ ЗАМЕНЫ ИХ ДВИГАТЕЛЯМИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Рассматриваются особенности трёхфазных асинхронных рольганговых электродвигателей серии АР и АРМ. Отражена специфичность их работы при регулировании частоты питающего напряжения. На основании исследований опытных образцов электродвигателей с жесткой механической характеристикой и питании напряжением регулируемой частоты рассмотрена возможность замены всех типоразмеров по полюсностям в четвертом и шестом габаритах на два типоразмера в четвертом габарите и на один типоразмер в шестом габарите.

Трехфазные асинхронные рольганговые электродвигатели с короткозамкнутым ротором серии АР и АРМ предназначены как для повторно-кратковременного, так и для продолжительного режимов работы с определенной мощностью.

Повышенные требования надежности и прочности конструкции, и электромагнитные характеристики электродвигателей выбраны, главным образом, из условия, что основным режимом работы является повторно-кратковременный режим с большим числом включений в час. В серии, кроме исполнения на лапах и фланцевого с горизонтальными валами, предусмотрено исполнение со станиной без лап с горизонтальным полым конусным валом, предназначенное для непосредственной установки на конусный вал роликов транспортных и рабочих рольгангов прокатных станов.

Определяющим фактором при выборе рольганговых электродвигателей для роликов рабочих рольгангов является работа, выполняемая ими при пуске; и торможении. Для достижения минимальной продолжительности реверсирования сопротивление обмотки ротора выбрано из расчета, чтобы критическое скольжение 8т было таким значением, при котором обеспечивалось бы минимальное время пуска и торможения. Поэтому важнейшими особенностями асинхронных рольганговых электродвигателей являются высокие пусковые моменты и мягкая механическая характеристика. На рисунке приведена типичная механическая характеристика рольганговых электродвигателей.

Мк - начальный пусковой момент; Мт - максимальный момент; Мп - средний момент за время пуска; Мт - средний момент за время торможения лротивовключением. Рис. - Характеристика вращающего момента рольгангового электродвигателя при пуске (частота 50 Гц) и торможении лротивовключением.

1 111 ГУ, канд. техн. наук, доц.

2 Ш ТУ, аспирант.

Такая характеристика обеспечивает плавное изменение скорости при пусках, реверсах и торможениях, в противном случае, при резких и неравномерных ускорениях могло бы происходить буксование роликов относительно раскатываемого или транспортируемого металла, что может привести к снижению производительности прокатною оборудования.

Потери, выделяющиеся в электродвигателе во время пуска, зависят от времени: его разгона, которое в свою очередь зависит от начального пускового момента Мк, так и от соотношения максимального и пускового моментов. Для рольганговых электродвигателей, работающих в диапазоне скольжений 0-2 при реверсах, наилучшие динамические характеристики при частоте 50 Гц получаются, если 8т = 0,7-1. При этом получается наивыгодное соотношение максимального и пускового моментов Мт=(1-1,1)Мк. обеспечивающее минимальное время реверсов и наименьшие потери. Для получения указанного соотношения Мт/Мк у рольганговых электродвигателей увеличено по сравнинию с двигателями общепромышленного применения критическое скольжение, определяемое по формуле [1]

+ х'к

у!„_у 4-Х' й и й'

где Л Л1 Л 2' 2 - индуктивные и активные сопротивления обмоток статора и ротора.

Инде^щтрих означает, что сопротивление обмотки ротора приведено к обмотке статора. Для этого 2 увеличено в 5-6 раз по сравнению с сопротивлением у нормальных электродвигателей за счет уменьшения сечения пазов ротора и применения зля заливки клетки ротора алюминиевого-магниевого сплава с повышенным удельным сопротивлением. Работа серийных асинхронных рольганговых электродвигателей при изменении частоты питающего напряжения оценивалось влиянием переменной частоты на пусковой и максимальный моменты, а также на изменение критического скольжения 8т.

Известно, что у асинхронных электродвигателей сопротивление Я] значительно меньше к. Пренебрегая в выражении (1) сопротивлением Я , получаем

-К---,

Х'к 2 яГ^Ц+Ц)

где Ь] и Ь2' - индуктивности обмоток статора и ротора; ^ - частота напряжения питания Видно, что критическое скольжение изменяется обратно пропорционально частоте. Начальный пусковой момент Мк и максимальный момент Мт асинхронного электродвигателя определяются по следующим формулам:

2 л/1

_____ЭрЦ?Л'г________________________

(л, +^)г+(х1 ~Х2У |

,, _« 4/1)

Мт=->—----и = —-Г--------------= ,

4лф, +

и /

где III - напряжение на зажимах обмотки статора; р - число пар полюсов

Предварительные исследования показали, что работа серийных рольганговых электродвигателей при изменении частоты питания от 30 до 7.5 Гц сопровождается изменением их критического скольжения от 1,1-1,7 до 0,5-0,7, что в обоих крайних случаях приводит к уменьшению пускового момента на 20-30 % по сравнению с его значением при частоте 50 Гц При этом изменяется и максимальный момент.

При частотах питания от 10 доЗО Гц критическое скольжение достигает значений от 1,3-4,3 до 1,1-3,9 и максимальный момент смещается в. область высоких скольжений тормозного режима, причем максимальный момент снижается на 15-20 %. Эти обстоятельства приводят к снижению пускового момента при частоте 10 Гц на 50 % и более по сравнению с его значением при частоте 50 Гц.

Причиной снижения Мк и Мт при высоких частотах вращения является ограничение 1 верхнего предела напряжения питания из-за возможного пробоя изоляции электродвигателя I Можно увеличить напряжение только до величины допустимой для изоляции и если при этом I увеличивать частоту напряжения, а следовательно и скорость вращения ротора, то уменьшится 1 отношение 11-1/ 6, что приводит к уменьшению магнитного потока и снижению момента. |

При низких частотах сохранения постоянным отношения НИ приводит к снижению 1 магнитного потока и моментов Мк и Мт Это объясняется тем, что при низких частотах 1 падение напряжения на активном сопротивлении, оказывается сравнимым с индуктированной I ЭДС, т.е. большую часть приведенного напряжения составляет падение напряжения на 1 активном сопротивлении, которым пренебрегать нельзя. Для поддержания магнитного потока 1 постоянным, напряжение питания при снижении частоты следует уменьшать в меньшей | степени, т.е. значение 1Л/ 6 следует увеличивать, что позволяет компенсировать падение на-1 пряжения на активном сопротивлении статора. |

С целью повышения энергетических показателей электродвигателей и улучшения их пус- 1 ковых и динамических свойств для частотно регулиру емого привода рекомендуется использо- 1 вать электродвигатели с жесткой механической характерист ик эй. Такая характеристика позво- 1 лит охватить весь диапазон скоростей вращения в каждом габарите одним или двумя типораз- ] мерами электродвигателей по полюсности. На жесткой характеристике, т.е. при малом сопро- | тивлении ротора электродвигатель имеет небольшое номинальное скольжение и т.к. потери в I цепи ротора пропорциональны скольжению, то КПД электродвиг ателя возрастает, однако он | развивает малый пусковой момент при пусковом токе превышающем номинальный в 5-6 раз 1 Это объясняется тем, что при пуске на частотах выше 30 Гц возрастает реактивное сопротивле- ] ние рассеяния ротора, что приводит к увеличению угла^2 между ЭДС Е2 и током 1> ротора и ] снижению активной составляющей тока, а следовательно и момента М 1

М=Км ф 12 сое \|/2,

где ф - магнитный поток ; |

Км - коэффициент пропорциональности. \

Поэтому в электроприводах с частотным управлением, прц электродвигателя час- ]

тота источника должна снижаться, а активная составляющая тока " ~ будет увеличиваться.)

Торможение у электродвигателей переменной частоты с жесткой механической характе- ] ристикой выгоднее всего осуществлять с рекуперацией энергии, т.е. в генераторном режиме 121 \ В частотно-управляемых электроприводах генераторный режим торможения проще всего осу-; ществлять при мгновенном уменьшении частоты питания результате скорость вращения 1 ротора окажется выше синхронной, и машина будет работать в режиме генераторного торможения. В генераторном режиме с уменьшением частоты тормозной момент электродвигателя ; значительно возрастает. Причиной этого является перемена знака падения напряжения на сопротивлениях обмотки статора в генераторном режиме, по сравнению с двигательным режи-; мом, в следствии чего увеличивается ЭДС и магнитный поток в воздушном зазоре.

В частотно-регулируемом электроприводе можно также просто осуществить регулируемый по величине тормозной момент, используя режим противовктючения. При этом скорость вращения магнитного поля статора направлена против вращения ротора и регулируется уменьшением частоты питания.

Учитывая особенности обусловленные питанием напряжения переменной частоты на специфику работы асинхронных рольганговых электродвигателей и выполнения фебуемых законов управления электроприводами необходимо создавать специальные электродвигатели переменной частоты. Перед разработчиками таких электродвигателей ставятся следующие задачи .

1. улучшить энергетические показатели электродвигателей;

2. уменьшить номенклатуру выпускаемых, в настоян;,ее время, асинхронных рольганговых электродвигателей;

3. улучшить эксплуатационно-технические характеристики электроприводов.

В техническом задании на разработку специальной серии асинхронных рольганговых электродвигателей переменной частоты предусмотрено, для предварительных исследований,

изготовить опытные образцы электродвигателей с жесткой механической характеристикой на базе электродвигателей АРМ 4 и 6 габаритов основного исполнения. Обмотку ротора у этих образцов выполнить алюминием марки А7, вместо алюмикие зо -магниевого сплава. Расчетно-экспериментальные работы проведенные на электродвигателе АРМ43 с числом полюсов 4, 6. 8, 10, 12 и АРМ64 с числом полюсов 8, 10, 12,16. Исследовались электродвигатели всех полюсно-стей с целью установить типопредставителя с оптимальным аденом полюсов, позволяющего при частотном регулировании охватить весь диапазон частот вращения в данном габарите.

Испытания электродвигателей при уменьшении частоты питающего напряжения проводились из условия постоянства момента и обеспечения перегрузочной способности 1,2-1,3 при компенсационном законе регулирования напряжения и частоты.

Исследования при увеличении частоты питающего напряжения проводились для двух вариантов:

а) регулирование скорости с постоянной мощностью при неизменном напряжении;

б) регулирование скорости с постоянным моментом при неизменном напряжении.

Выводы

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет сделать вывод о возможности замены всей гаммы полюсностей 4-го габарита на 2 типоразмера. Оптимальными являются электродвигатели с числом полюсов 2р=4 и 8. В 6-ом габарите всю гамму полюсностей можно заменить одним типоразмером. Оптимальных! является электродвигатель с числом полюсов 2р = 8.

Перечень ссылок

1. КостенкоМ.П., Пиотровский Л.МЭлектрические машины. -ЧП.-М.: Энергия, 1965.-704с.

2. Чиликин М.Г Общий курс электропривода. -М.: Энергия, 1971 -431с.

Днепровский Владимир Васильевич. Канд. техн. наук, доцент кафедры автоматизации энергетических систем и электропривода, окончил Томский политехнический институт в 1961 году. Основные направления научных исследований определение и оптимизация параметров асинхронных электродвигателей переменной частоты исходя из условий обеспечения требуемых законов управления электродвигателями наиболее простыми средствами.

Киселев Дмитрий Вячеславович. Аспирант кафедры автоматизации энергетических систем и электропривода, окончил Приазовский государственный технический университет в 1995 году. Основные направления научных исследований - определение и оптимизация параметров асинхронных электродвигателей переменной частоты исхода из условий обеспечения требуемых законов управления электродвигателями наиболее простыми средствами.