Моделирование регулируемых асинхронных электроприводов с согласующими редукторами и трансформаторами

УДК 621.313.333.2

В. С. Петрушин, А.М. Якимец, Р.Н. Еноктаев

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С СОГЛАСУЮЩИМИ РЕДУКТОРАМИ И ТРАНСФОРМАТОРАМИ

Досліджено роботу різних асинхронних двигунів у складі регульованих електроприводів, що виконують одну і ту ж технічну задачу, з урахуванням включення таких елементів, як узгоджувальні трансформатор і редуктор. Зроблено зіставлення характеристик двигунів в статичних та динамічних режимах. Визначено енергетичні, масогабаритно-вартісні показники електроприводів. Обґрунтовано можливість вибору кращого варіанту приводу, як за вищевказаними показниками, так і за вартістю втрат активної енергії. Бібл. 12, табл. 2, рис. 10.

Ключові слова: асинхронний електропривод, редуктор, трансформатор, регульований асинхронний двигун, регулювальні характеристики, динамічні моделі, тепловий стан, діапазонні критерії, вартість втрат, обґрунтований вибір.

Исследована работа разных асинхронных двигателей в составе регулируемых электроприводов, которые выполняют одну и ту же техническую задачу, с учетом включения таких элементов, как согласующие трансформатор и редуктор. Проведено сопоставление характеристик двигателей в статических и динамических режимах. Определены энергетические, массогабаритностоимостные показатели электроприводов. Обоснована возможность выбора лучше-

го варианта привода, как по вышеуказанным показателям

табл. 2, рис. 10.

Ключевые слова: асинхронный электропривод, редуктор, регулировочные характеристики, динамические модели, потерь, обоснованный выбор.

Введение. Разнообразие систем асинхронных регулируемых электроприводов (РЭП) характеризуется включением в них таких элементов, как согласующих редукторов и трансформаторов. Использование этих элементов значительно изменяет эксплуатационные характеристики РЭП. Большинство статей посвящено моделированию электроприводов, как в статических, так и в динамических режимах, без таких элементов [1-4] и целесообразно рассмотреть моделирование РЭП, когда применяются эти элементы.

Постановка задачи. Для формирования моделей согласующих трансформаторов и редукторов следует ввести ряд их исходных данных, определяющих как функциональные свойства, так и массогабаритностоимостные показатели. Последние дают возможность рассмотреть экономические аспекты РЭП. К числу функциональных относятся: для редуктора - передаточное число (іред), для трансформатора - коэффициент трансформации (ктр). Корректность расчета энергетического баланса электропривода требует использования КПД рассматриваемых элементов (цред, цтр).

Моделируя РЭП с включением редукторов и трансформаторов в статических и динамических режимах определяются частота вращения (пмех), момент на приводном механизме (Ммех), потребляемая приводом мощность (РРЭП), КПД привода (ЦрЭП), мощность нагрузочного механизма (Рмех). Кроме того, представляется возможным рассчитать массогабаритностоимостные показатели всего РЭП при использовании тех или иных рассматриваемых компонентов.

Выражения, учитывающие включение редуктора и трансформатора в РЭП при рассмотрении статических режимов, имеют вид:

пмех = і , Ммех = Мдв ' іред ' "Л ред,

і ред

М мех = М дв ' іред 'Л ред, Рмех = Рдв 'Л ред,

РРЭП = Р1 + І1 ~Лпр )' Р1 + І1 - Л ред)' Р1 + І1 ~Лтр )' Р1,

ЛРЭП = ЛАД 'Лпр 'Лред ' Лтр , U2 = ивх/ктр,

так и по стоимости потерь активной энергии. Библ. 12,

трансформатор, регулируемый асинхронный двигатель, тепловое состояние, диапазонные критерии, стоимость

где Мдв - момент на валу двигателя; Рдв - механическая мощность на валу двигателя; Pj - потребляемая двигателем активная мощность; цпр - КПД преобразователя; - первичное напряжение трансформатора;

U2 - вторичное напряжение трансформатора.

Математические модели (ММ), используемые для исследования переходных электромагнитных и электромеханических процессов в регулируемых асинхронных двигателях, основаны на системах нелинейных дифференциальных уравнений равновесия напряжений и токов в системе преобразованных координат [5, 6].

-Г4sa = usa (t) - rsd(t)[Xr 4sa (t) - xM (t)4sa (t)]

dt

d 4sp = «sp (t) - rsd(t)[xr4sp (t) - xM (t)4sp (t)]l

d

dt Tsa = (-Pr ' іред 4sp (t) - Гг (t)d (t)(Xs (t)Tra (t) -

- XM (t)4sa (t)), d

- ^sp = (Pr ' іред^вр (t) - Гг (t)d (t)(Xs (t )4rp (t) -

- Xm (t)^sp (t)),

^ = J\3pd(t)XM (t)[4sp (t)4sa(t) -

-4sp (t)4sa (t)] - Mc С r ) 'Л ред } где Ysa(t), ^(t), Tra(t), и Trp(t) - потокосцепления статорных и роторных обмоток по осям a и в; юг - угловая частота вращения механизма; р - число пар полюсов; J - суммарный момент инерции привода, приведенный к валу двигателя; Мс(юг) - зависимость момента сопротивления механизма от частоты вращения; rs, rr(t), Xs(t), Xr(t), XM(t) - активные и полные реактивные сопротивления обмоток статора и ротора и сопротивление взаимоиндукции; d(t) - вспомогательная переменная

d(t) = [Xs(t) Xr(t) - (X^t))2]-1; usa(t) и usp(t) - мгновенные

© В.С. Петрушин, А.М. Якимец, Р.Н. Еноктаев

26

ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №2

значения напряжений по осям а и р, которые определяются амплитудой напряжения Um (зависящей от закона частотного управления) и угловым положением обобщенного вектора напряжения фі

u sa (t) = Um (t)  C0S(9i), usf> (t) = Um (t)  sin^),

при этом система дополняется еще двумя дифференциальными уравнениями

d d

—Фі =Юі и — Ю1 =Si(t),

dt dt

где Юі - угловая частота вращения, а e(t) - график угловых ускорений обобщенного вектора напряжения, определяемый задаваемой тахограммой движения привода. Выражения, связывающие мгновенные значения токов и потокосцеплений, имеют следующий вид:

isa (t) = d(t)  [xr (t)Xsa (t) - xM (t)^sa (t)l i'sp (t) = d(t)  [xr (t)Xp (t) - Xm (t)^sp (t)1

где isa, isp -токи статора по осям а и р. Действующее значение тока статора

ii

isa

+ isp (t)2 ^ .

В каждом из уравнений имеют место нелинейные коэффициенты - параметры двигателя, изменяющиеся в каждой рабочей точке, в том числе и вследствие явлений насыщения магнитной системы и вытеснения тока в обмотке ротора [7]. При расчетах динамических режимов учитываются изменения на каждом шаге интегрирования системы, т.е. в определенных точках характеристики перехода от одной частоты вращения к другой, величин и частот питающего напряжения в соответствии с используемым законом частотного регулирования, параметров схемы замещения. При нагрузках вентиляторного и тягового характера изменяется также момент нагрузки, значение которого, соответствующее угловой частоте вращения привода, определяется по нагрузочной характеристике.

Потребляемая двигателем условная активная мощность в динамических режимах рассчитывается через действующие значения напряжений и токов

Реальная потребляемая активная мощность Pi больше условной на величину суммы неучтенных потерь

pi = pi'+Apcm

осн + АРст доб + АРмех + АРдоб

Мощность на валу двигателя может быть определена через потокосцепления и токи с использованием значения частоты вращения ротора

Р2 = Ю r 2 Хrp ^ra — 1 rp ^rp ]— АРмех — АРдоб .

Мгновенное значение КПД определяется отношением мгновенных значений мощности на валу двигателя Р2 к потребляемой активной мощности Р1.

Результаты исследований. При моделировании РЭП в соответствии с принципами системного подхода необходимо совместное рассмотрение преобразователей, двигателей и нагрузок, а также редукторов и согласующих трансформаторов [8]. На кафедре элек-

трических машин Одесского национального политехнического университета разработан программный продукт DIMASDrive [9], позволяющий осуществить такое моделирование.

С целью ограничения исследований дальше рассмотрен РЭП с транзисторным преобразователем частоты с автономным инвертором напряжения и ШИМ-регулированием. Рассматривался закон частотного управления U/f = const. В качестве нагрузки использовалась тяговая нагрузка, Рнагр = 35 кВт с максимальным моментом 1500 Н-м. При заданной постоянной по величине нагрузке, требуемый диапазон регулирования (30-250 об/мин) в системах РЭП может быть обеспечен разными двигателями, при условии включения редукторов и трансформаторов.

Рассмотрены три варианта РЭП при напряжении питающей сети 400 В и частоте сети 60 Гц.

Для безредукторного РЭП (рис. і) выбран двигатель 4А355М12, работающий с частотным преобразователем (Mitsubishi FR-A 540 L-G EC, 57000 y.e., 75 кг, Щр = 0,98) [10].

Рис. 1. Структурная схема безредукторного РЭП

Для РЭП с редуктором (рис. 2) выбран двигатель 4А250М4, работающий с частотным преобразователем (Mitsubishi FR-A 540 L-G EC, 57000 y.e., 75 кг, г)пр = 0,98) и редуктором (1ЦУ200, 1000 у.е., 135 кг, Пред = 0,98, iped = 6,3) [10, 11].

400В 60 Гц

тгтч

/у

О

FR-A 540 L-G ЕС 4А250М4

Редуктор Натру зка

1ЦУ-200

Рис. 2. Структурна схема РЭП с редуктором

Для РЭП с трансформатором и редуктором (рис. 3) выбран двигатель 4A200L4, повышающий трансформатор (1000 у.е., 510 кг, цтр = 0,98, ктр = 0,8), редук-тор(1Ц2У-200, 1000 у.е., 170 кг, пред = 0,98, іред = 10) и транзисторный преобразователь частоты (Mitsubishi FR-A 540 EC, 33468 y.e., 35 кг, гі„р = 0,98) [10-12].

FR-A 540 ЕС 4A200L4 1 Ч2у-200

Рис. 3. Структурная схема РЭП с редуктором и трансформатором

Регулировочные характеристики, представляющие собой зависимости изменения электрических, энергетических и тепловых величин от числа оборотов, могут быть получены при использовании семейств характеристик, в том числе и механических, при различных параметрах регулирования, на которые накладываются характеристики нагрузочного

ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №2

27

механизма. На рис. 4. представлено семейство механических характеристик двигателя и заданной нагрузки, соответствующие структурной схеме, изображенной на рис. 3.

Рис. 4. Семейство механических характеристик

На рис. 5-7. представлены регулировочные характеристики рассматриваемых РЭП.

Рис. 5. Изменение потребляемых двигателями токов в диапазоне регулирования: 1 - РЭП без редуктора, 2 - РЭП с редуктором, 3 - РЭП с редуктором и трансформатором

Рис. 6. Характеристики КПД двигателей в диапазоне регулирования: 1 - РЭП без редуктора, 2 - РЭП с редуктором, 3 - РЭП с редуктором и трансформатором

Рис. 7. Изменение температур статорных обмоток двигателей в диапазоне регулирования: 1 - РЭП без редуктора,

2 - РЭП с редуктором, 3 - РЭП с редуктором и трансформатором

При таком сочетании механических характеристик и нагрузки наблюдается трехзонность, которая проявляется на характере регулировочных характеристик. В пределах каждой зоны имеет место однообразное изменение механических характеристик двигателя и характеристики нагрузки.

В табл. 1 приведены значения показателей рассмотренных РЭП, к числу которых относятся среднедиапазонные КПД (рсд) и приведенные затраты (ПЗсд), а также массогабаритостоимостные показатели как двигателей, так и приводов.

Таблица 1

Сравнение показателей различных РЭП

Показатели и параметры РЭП

Без редуктора и трансформатора С редуктором С редуктором и трансформатором

Пд АД, % 88 93,55 90,34

cosqyg АД, о.е. 0,76 0,89 0,64

Пд РЭП, % 86,31 89,9 85,23

ПЗса АД, у.е. 102926 10908 44690

ПЗ„, РЭП, у.е. 205991 108381 118600

Масса АД, кг 1670 560 325

Объем АД, дм3 161,7 75,6 34

Стоимость АД, у.е. 18039 5437 3294

Масса РЭП, кг 1745 770 1040

Объем РЭП, дм3 290,7 255,6 666

Стоимость РЭП, у.е. 75039 63437 38762

Также выполнено моделирование для каждого схемного решения РЭП при работе на заданную тахо-грамму (пуск 1,5 с на 150 об/мин, 1 с - 185 об/мин) с учетом переходных процессов.

На рис. 8 - 10 представлены характеристики, полученные при моделировании работы рассмотренных РЭП на заданную тахограмму.

28

ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №2

Рис. 8. Характеристики частот вращения механизма: 1 - РЭП без редуктора, 2 - РЭП с редуктором,

3 - РЭП с редуктором и трансформатором

Рис. 9. Характеристики потребляемых двигателями токов: 1 - РЭП без редуктора, 2 - РЭП с редуктором,

3 - РЭП с редуктором и трансформатором

Рис. 10. Характеристики КПД двигателей:

1 - РЭП без редуктора, 2 - РЭП с редуктором, 3 - РЭП с редуктором и трансформатором

Может быть выполнен расчет стоимости потерь активной энергии за год:

Са = ЦаТгод'КзРмгхх(\ + 0,04 - ЦрЭпУЧрЭП,

где Ца = 0,65 грн - цена за 1 кВт-ч; Тгод = 3000 - число часов работы РЭП в году; К3 - коэффициент загрузки (принимается равным 1,0); 0,04 - относительная величина потерь в распределительной сети потребителя.

Выполнено сопоставление рассмотренных вариантов РЭП по стоимости потерь активной энергии за год (табл. 2).

Таблица 2

Сравнение стоимостей потерь активной энергии различных РЭП

Показатели и параметры РЭП

Без редуктора и трансформатора С редуктором С редуктором и трансформатором

Псд РЭП, % 86,3 89,9 85,2

Стоимость потерь активной энергии за год, грн 11600 8840 12480

Выводы.

1. На основании моделирования различных РЭП, в том числе включающих редуктор и согласующий трансформатор и обеспечивающих требуемый диапазон регулирования на заданную по величине и характеру нагрузку, исследована работа разных двигателей, в результате чего проведено сопоставление характеристик двигателей в статических и динамических режимах, определены энергетические, массогабаритностоимостные показатели электроприводов.

2. Проведенные исследования дают возможность обосновать выбор лучшего варианта привода в зависимости от выбранного критерия, в том числе и критерия стоимости потерь активной энергии.

3. Аналогично может быть проведено моделирование разнообразных РЭП с редукторами и трансформаторами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. - Екатеринбург: УРО РАН, 2000. -654 с.

2. Чермалых В.М., Чермалых А.В., Майданский И.Я. Исследование динамики и энергетических показателей асинхронного электропривода с векторным управлением // Вісник НТУ «ХПІ». - 2008. - №30. - С. 41-45.

3. Мощинский Ю.А., Аунг Вин Тут. Обобщенная математическая модель частотно-регулируемого асинхронного двигателя с учетом потерь в стали // Электричество. - 2007.

- №11. - С. 60-66.

4. Khezzar A., El Kamel Oumaamar M., Hadjami M., Bouch-erma M., Razik H. Induction motor diagnosis using line neutral voltage signatures. IEEE Transactions on Industrial Electronics.

- 2009 (Nov.). - vol.56. - no.11. - pp. 4581-4591.

5. Шестаков А.В. Математическая модель рабочих характеристик асинхронных двигателей с частотным управлением // Электротехника. - 2011. - №2. - С. 23-29.

6. Nandi S., Toliyat H.A., Li X. Condition monitoring and fault diagnosis of electrical motors - a review. IEEE Transactions on Energy Conversion. - 2005 (Dec.). - vol.20. -no.4. - pp. 719-729.

ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №2

29

7. Петрушин В.С., Якимец А.М. Моделирование динамических режимов асинхронных двигателей при частотном регулировании // Вісник НТУ «ХПІ». - №10. - С. 156-157.

8. Петрушин В. С. Асинхронные двигатели в регулируемом электроприводе: Учебное пособие. - Одесса: Наука и техника, 2006. - 320 с.

9. Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Программный продукт «DIMASDrive». Программа анализа работы, выбора и проектирования асинхронных короткозамкнутых двигателей систем регулируемого электропривода (свидетельство о регистрации программы ПА№4065). - К.: Государственный департамент интеллектуальной собственности, 26.03.2001.

10. Частотные преобразователи. Серия FR-A 540. - Режим доступа: http://univolts.ru/trademap/electric/mitsubishi/invertors/fra540.

11. Завод приводной техники. Характеристики редукторов. Основные технические данные редукторов. - Режим доступа: http://www.reduktor-ptp.ru/.

12. Производство трансформаторов. Характеристики трансформаторов. Основные технические данные трансформаторов. - Режим доступа: http://transtechno2.ru/produktsiya-3/.

REFERENCES

1. Shreiner R.T. Matematicheskoe modelirovanie elektroprivodov peremennogo toka s poluprovodnikovymi preobrazovatelyami chastoty [Mathematical modeling of AC drives with solid state frequency converters]. Ekaterinburg, URO RAN Publ., 2000. 654 p. (Rus).

2. Chermalykh V.M., Chermalykh A.V., Maidanskii I.Ia. Study of the dynamics and energy performance of asynchronous electric drive with vector control. Visnyk NTU «KhPI» - Bulletin of NTU "KhPI", 2008, no.30, pp. 41-45. (Rus).

3. Moshchinskii Iu.A., Aung Vin Tut. Generalized mathematical model of frequency controlled induction motor consideringiron loss. Elektrichestvo - Electricity, 2007. no.11, pp. 60-66. (Rus).

4. A. Khezzar, M. El Kamel Oumaamar, M. Hadjami, M. Boucherma, H. Razik. Induction motor diagnosis using line neutral voltage signatures. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009 (Nov.), vol.56, no.11, pp. 4581-4591. doi: 10.1109/tie.2008.2010209.

5. Shestakov A.V. A mathematical model of the performance of asynchronous motors with frequency control]. Elektro-tekhnika - Electrical Engineering, 2011, no.2, pp. 23-29. (Rus).

6. S. Nandi, H.A. Toliyat, X. Li. Condition monitoring and fault diagnosis of electrical motors - a review. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2005 (Dec.), vol.20, no.4, pp. 719-729. doi: 10.1109/tec.2005.847955.

7. Petrushin V.S., Yakimets A.M. Simulation of dynamic modes of induction motors with frequency regulation. Visnyk NTU "KhPI" - Bulletin of NTU "KhPI", 2001, no.10, pp. 156-157. (Rus).

8. Petrushin V.S. Asinhronnye dvigateli v reguliruemom elek-troprivode: Uchebnoe posobie [Induction motors in adjustable electric: Textbook]. Odessa, Nauka i tehnika Publ., 2006. 320 p. (Rus).

9. Petrushin V.S., Rjabinin S.V., Jakimec A.M. Programmnyj produkt "DIMASDrive". Programma analiza raboty, vybora i proektirovanija asinhronnyh korotkozamknutyh dvigatelej sis-tem reguliruemogo jelektroprivoda [Program performance analysis, selection and design of asynchronous cage motors controlled drive systems]. Patent UA, no.4065.

10. Chastotnye preobrazovateli. Seriia FR-A 540 (Frequency converters. Series FR-A 540) Available at: http://univolts.ru/trademap/electric/mitsubishi/invertors/fra540/ (accessed 13 September 2012).

11. Zavod privodnoi tekhniki. Kharakteristiki reduktorov. Os-novnye tekhnicheskie dannye reduktorov (Plant drive technology. Features reducers. Main technical data reducers) Available at: http://www.reduktor-ptp.ru/ (accessed 18 March 2013).

12. Proizvodstvo transformatorov. Kharakteristiki transforma-torov. Osnovnye tekhnicheskie dannye transformatorov (Production of transformers. Characteristics of transformers. Main technical data transformers) Available at: http://transtechno2.ru/produktsiva-3/ (accessed 08 April 2013).

Поступила (received) 21.01.2015

Петрушин Виктор Сергеевич1, д.т.н., проф.,

Якимец Андрей Миронович1, к.т.н., доц.,

Еноктаев Ростислав Николаевич1, магистр,

1 Одесский национальный политехнический университет, 65044, Одесса, пр. Шевченко, 1, тел/phone +38 048 7058494,

e-mail: victor_petrushin@ukr.net, yakimets_andriy@ukr.net, rostik-enok@inbox.ru

V.S. Petrushin1, A.M. Yakimets1, R.N. Jenoktajev1 1 Оdessa National Polytechnic University,

1, Shevchenko Avenue, Odessa, 65044, Ukraine.

Modeling controlled asynchronous electric drives with matching reducers and transformers.

Purpose. Working out of mathematical models of the speed-controlled induction electric drives ensuring joint consideration of transformers, motors and loadings, and also matching reducers and transformers, both in static, and in dynamic regimes for the analysis of their operating characteristics. Methodology. At mathematical modelling are considered functional, mass, dimensional and cost indexes of reducers and transformers that allows observing engineering and economic aspects of speed-controlled induction electric drives. The mathematical models used for examination of the transitive electromagnetic and electromechanical processes, are grounded on systems of nonlinear differential equations with nonlinear coefficients (parameters of equivalent circuits of motors), varying in each operating point, including owing to appearances of saturation of magnetic system and current displacement in a winding of a rotor of an induction motor. For the purpose of raise of level of adequacy of models a magnetic circuit iron, additional and mechanical losses are considered. Results. Modelling of the several speed-controlled induction electric drives, different by components, but working on a loading equal on character, magnitude and a demanded control range is executed. At use of characteristic families including mechanical, at various parameters of regulating on which performances of the load mechanism are superimposed, the adjusting characteristics representing dependences of a modification of electrical, energy and thermal magnitudes from an angular speed of motors are gained. Originality. The offered complex models of speed-controlled induction electric drives with matching reducers and transformers, give the chance to realize well-founded sampling of components of drives. They also can be used as the design models by working out of speed-controlled induction motors. Practical value. Operating characteristics of various speed-controlled induction electric drives are observed and depending on the chosen measure including measure of cost of losses of active energy, sampling of the best alternative of the drive is realized. References 12, tables 2, figures 10.

Key words: induction electric drive, reducer, transformer, an speed-controlled induction motor, adjusting characteristics, dynamic models, thermal state, band measure, cost of losses, well-founded sampling.

30

ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №2