Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания

УДК 621.313.2

А.Н. Петренко

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ

У статті розглянуто питання експериментального дослідження теплового стану частотно-керуємого асинхронного двигуна при різних джерелах живлення. Запропоновано для експериментального дослідження три схеми живлення. Дослідження проведені на двигуні АИР90ЬБ4, в якому закладені терморезистори СТ-1-19. Виконана оцінка впливу схеми живлення на тепловий стан двигуна.

В статье рассмотрен вопрос экспериментального исследования теплового состояния частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания. Предложены для экспериментального исследования три схемы питания. Исследования проведены на двигателе АИР90ЬБ4, в котором размещены терморезисторы СТ-1-19. Выполнена оценка влияния схемы питания на тепловое состояние двигателя.

ВВЕДЕНИЕ

Погрешность в определении температур при использовании расчетных методов исследования теплового состояния электрических машин может достигать 15 %, что объясняется допущениями, присущими всем расчетным методам. Поэтому достоверная информация о тепловом состоянии электрической машины может быть получена только в результате экспериментального исследования нагрева. Это характерно и для частотно-управляемых асинхронных двигателей, у которых помимо основных потерь, связанных с первой гармоникой напряжения, возникают дополнительные электрические и магнитные потери, обусловленные высшими гармониками напряжения [1, 2]. Величина этих потерь зависит от спектра высших гармоник и их амплитуд, что, в свою очередь, определяется источником питания частотно-управляемого асинхронного двигателя. На практике используются автономные инверторы напряжения (АИН), обеспечивающие ступенчатую форму фазного напряжения на двигателе и преобразователи частоты, у которых, с целью улучшения спектрального состава выходного напряжения, применяют широтно-импульсную модуляцию прямоугольного напряжения по синусоидальному закону. Ширина импульсов изменяется в течении полупериода, наибольшая ширина импульсов наблюдается в середине полу-периода, а к началу и концу ширина импульсов уменьшается [2, 3].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для оценки степени влияния типа источника питания на тепловое состояние частотно-управляемого асинхронного двигателя, в качестве базового был выбран регулируемый источник синусоидального напряжения.

Таким образом, в ходе экспериментального исследования нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя были реализованы три режима питания. Блок-схемы источников питания, обеспечивающие каждый из режимов, представлены на рис. 1-3.

.................и,,Г

+  ' '

-(^ИГ^---(^ИрУ^^вд\--'(^БМ^) | HP

Рис. 1. Режим питания синусоидальным напряжением

Ои/,

і «г

—

ІІМК

Рис. 2. Режим питания от автономного инвертора напряжения

ИД У — { БМ

НГ

Рис. 3. Режим питания от преобразователя частоты

На рис. 1-3 обозначено: ПД - приводной двигатель постоянного тока; ИГ - индукторный генератор; ИР - индукторный регулятор напряжения; ИД - испытуемый асинхронный двигатель; БМ - балансирная машины постоянного тока; НР - нагрузочный реостат; В - мостовой выпрямитель; АИН - автономный инвертор напряжения; ПМК - программируемый микроконтроллер; ПЧ - преобразователь частоты (фирма "Shorh", Голландия).

Во всех режимах питания реализовывались два наиболее распространенных закона регулирования -закон регулирования при постоянном моменте у = а; М = const; 0 < а < 1,0 при регулировании "вниз" и закон регулирования при постоянной полезной мощности и неизменном напряжении у =1,0 = const; P2 = const; 1,0 < а < 1,5 при регулировании "вверх".

Здесь у =

1ф

Ub

а =

Л

1 Іфном /Іном

В качестве исследуемого был использован асинхронный двигатель АИР90ЬВ4 с номинальными данными: Р2А = 2,5 кВт, ^ЛфА =220 В /ш = 50 Гц пА = 1430 об/мин, исполнение ІР44, ІСОі4і. Потери в номинальном режиме: Рэл1 = 298 Вт; Рэл2 = 129 Вт; Рмаг = 123 Вт; Рмех = 19 Вт; Рдоп = 16 Вт.

Для исследования температурного поля двигателя в радиальном и аксиальном сечениях, на стадии изготовителя двигателя были заложены термодатчики. Схема размещения термодатчиков показана на рис. 4.

В качестве термодатчиков использовались терморезисторы СТ-1-19. В процессе исследования нагрева при трех режимах питания задавались значения

коэффициента регулирования а: 1,0; 0,9; 0,7; 0,5 - при регулировании "вниз" (регулирование при постоянном моменте) и 1,0; 1,1; 1,3; 1,5 - при регулировании "вверх" (регулирование при постоянной полезной мощности).

В качестве примера в табл. 1 и 2 приведены значения превышений температур в местах размещения термодатчиков для номинального режима двигателя -у = а = 1,0.

Таблица 1

Область двигателя Зубцовая зона статора Спинка сердечника Ротор Оокр

Режим питания Номер датчика

5 16 22 30 17 37

Схема 1 72,3 59,1 61,9 49,5 44,6 75,5 29,5

Схема 2 84,7 69,2 71,3 57,0 51,4 97,2 20

Схема 3 78,8 63,9 67,2 53,7 48,2 80,0 27

Аксиальное сечение

Таблица 2

Область двигателя Зубцовая зона статора

Режим питания Номер датчика

25 5 14 19 22 8 20 5 28

Схема 1 72,4 72,3 75,3 61,2 61,9 71,5 78,3 72,3 81,9

Схема 2 84,2 84,7 88,2 81,7 71,3 83,7 91,8 84,7 96,0

Схема 3 78,6 78,8 81,3 65,9 67,2 77,0 85,5 78,8 88,7

Продолжение таблицы 2

Ротор 1 Спинка сердечника

Номер датчика

36 37 23 26 30 29 10 17 9

69,9 75,5 73,3 42,6 49,5 53,1 36,0 44,6 49,2

89,6 97,2 94,4 49,7 57,0 62,0 42,0 51,4 57,5

73,8 80,0 77,7 46,1 53,7 57,1 38,9 48,2 52,9

Продолжение таблицы 2

Внутренний воздух Подшипниковые щиты Охлаждающий воздух в каналах

Номер датчика

1 3 13 12 31 33 35

49,2 55,0 27,7 42,1 6,7 10,0 15,5

60,1 67,2 31,4 49,8 9,4 14,1 19,4

52,6 58,5 29,8 44,9 6,8 11,6 16,0

По данным экспериментального исследования построены тепловые характеристики - зависимости превышений температур элементов конструкции дви-

гателя от коэффициента регулирования а при трех режимах питания. Тепловые характеристики пазовой части обмотки статора, сердечника статора и обмотки ротора представлены на рис. 5-7.

Установлено, что при всех режимах питания с увеличением коэффициента регулирования а превышения температур существенно уменьшаются. Наибольшие перегревы отмечены при у = а = 0,5; М = MN, так как при этом снижается максимальный момент и жесткость механической характеристики, поэтому М = MN может быть реализован при относительном скольжении гораздо большем, чем в номинальном режиме. Так, при питании по схеме 1 и у = а = 1,0; М = MN номинальное скольжение sN = 0,046, при той же схеме питания, но у = а = 0,5; М = Мм- скольжение sN = 0,156. Увеличение скольжения приводит к росту электрических потерь в статоре и роторе: при У = а = 1,0; Рэл1 = 298 Вт; Рэл2 = 129 Вт; при у = а = 0,5; Рэл1 = 470 Вт; Рэл2 = 195 Вт. По мере роста а при у = а, М = Мм- = const при всех режимах питания уменьшаются относительное скольжение и потери, а также повышается эффективность охлаждения за счет роста конвективных тепловых проводимостей элементов конструкции двигателя. При а > 1,0 происходит смена закона регулирования с М = М^] = const на Р = P2N = const, при этом момент двигателя, а значит и потери с ростом а уменьшаются, эффективность охлаждения продолжает расти, что приводит к дальнейшему уменьшению превышений температур.

Тепловые характеристики пазовой части обмотки статора и сердечника статора при питании по схемам 2 и 3 подобны тепловым характеристикам при питании по схеме 1, но проходят выше за счет дополнительных электрических и магнитных потерь от действия высших гармоник напряжения ЕРдопу. Расчетное исследование ЕРдопу для исследуемого двигателя АИР90ЬБ4 по методике [1] при питании по схеме 2 позволило получить зависимость ЕРдоп„ = Да). В частности:

• а = 0,5:

• а = 1,0:

• а = 1,5:

где ЕР - сумма основных потерь двигателя.

ЕРдопу = 70,6 Вт или 9,8 % от ЕР, ЕРдот* = 120,8 Вт или 20,3 % от ЕР, ЕРдош, = 73,1 Вт или 13,5 % от ЕР,

Рис. 5. Тепловая характеристика пазовой части обмотки статора А05 = f а)

Рис. 6. Тепловая характеристика сердечника статора А017 = _/

Рис. 7. Тепловая характеристика ротора

А©37 = /а)

Установлено, что дополнительные электрические потери в статоре и роторе Рэл1г и Рэл2„ составляют 94-96 % от ЕРдоп„, при этом величины Рэл1у, Рэл2у определяются спектром и амплитудами высших гармоник тока.

По результатам экспериментальных и расчетных исследований установлено, что учету по значимости потерь подлежат 5, 7, 11, 13 гармоники тока при пи-

тании по схеме 2 и 5, 7 гармоники тока при питании по схеме 3. Например, для номинального режима у = а = 1,0; М = Мдг , действующие значения высших гармоник в % к первой гармонике тока:

• схема 2:

15 = 34,7 %, 17 = 17,7 %, /„ = 8,2 %, /13 = 5,9 %;

• схема 3:

15 = 6,7 %, /7 = 3,2 %.

Отсюда следует, что £Рдоп, на тепловое состояние двигателя при питании по схеме 3 существенно меньше, чем при питании по схеме 2. Потери в роторе Рэл2, составляют в среднем 60 % от ЕРдоп,. Это обстоятельство существенно влияет на вид тепловой характеристики обмотки ротора при питании по схеме 2. При а = 1,0, когда ЕРдоп, достигают максимума, на тепловой характеристике имеет место локальный максимум. При питании по схеме 3 тепловая характеристика обмотки ротора по форме подобна характеристике при питании по схеме 1, т.е. монотонна. Отметим также, что тепловые характеристики пазовой части обмотки статора и сердечника статора при всех схемах питания во всем диапазоне изменения а монотонны, что свидетельствует о меньшем влиянии ЕРдоп, на нагрев этих элементов конструкции в сравнении с ротором [4].

Показательными с точки зрения влияния схемы источника питания на тепловое состояние двигателя являются разности превышений температур при базовом режиме, т.е. питание двигателя по схеме 1 и режимах питания по схемам 2 и 3.

Для значений а = 0,5; 1,0; 1,5 в табл. 3 приведены разности превышений температур при питании по схемам 2 и 1, обозначенные Д©°2-і и при питании по схемам 3 и 1, обозначенные Д©°3-1 для пазовой части обмотки статора, сердечника статора и обмотки ротора (термодатчики 5, 17, 37).

Таблица 3

a Термодатчик 5 Термодатчик 17 Термодатчик 37

1 0 1 1 0 1 А©°2-1 А © О

0,5 16,2 11,4 11,6 9,2 15,8 10,4

1,0 12,4 6,5 6,8 3,6 22,4 4,5

1,5 7,0 0,9 4,1 1,3 11,8 1,5

Из данных табл. 3 следует:

• степень влияния схемы источника питания зависит от области диапазона регулирования частоты вращения и от условий закона регулирования, т.е. М = const или Р2л = const;

• во всем диапазоне регулирования частоты вращения и при всех рассматриваемых законах регулирования степень влияния на тепловое состояние двигателя при схеме 2 существенно больше, чем при схеме 3.

Для рассматриваемых элементов конструкции двигателя также оценим степень влияния схемы источника питания соотношениями:

д2_, % = А@2-1 • 100% ; Д3, % = А@3-1 • 100%, Д©° Д©°

где Д©°1 - превышение температуры элемента конструкции при питании по схеме 1.

Результаты приведены в табл. 4.

Таблица 4

a Термодатчик 5 Термодатчик 17 Термодатчик 37

О4 О4 <А О4 А3-1% А % 0х А3-1%

0,5 12,4 8, 8 12,7 10,1 12,0 7,9

1,0 17,1 7,9 15,2 8,1 29,7 6,0

1,5 12,8 1,6 13,2 4,2 18,4 2,3

Из данных табл. 4 следует:

• наиболее существенно влияние схемы источника питания при схеме 2 и а = 1,0, когда ХРдош, достигает максимума. При этом для всех рассматриваемых элементов конструкции зависимости Д2-1% = _Да) имеют явно выраженные максимумы в области а = 1,0;

• значения Д2-1% для пазовой части обмотки статора и сердечника статора составляют во всем диапазоне регулирования 12-17 %, для обмотки ротора зна-

чения Д2-1% значительно больше и достигают 29 %. Как отмечалось ранее, это связано с влиянием Рэл2„;

• при питании по схеме 3, значения Д3-1% во всем диапазоне регулирования значительно меньше, чем Д2-1%. Характерно резкое в 2,5-4 раза уменьшение Д3-1% в верхней части диапазона регулирования, что свидетельствует о таком же изменении ХРдоп„ при питании по схеме 3. В отличие от Д2-1% = fa) зависимости Д3-1% = fa) во всем диапазоне регулирования монотонны.

ВЫВОДЫ

Проведенные экспериментальные исследования позволили оценить влияние схемы источника питания на тепловое состояние асинхронного частотноуправляемого двигателя.

При питании от автономного инвертора напряжения и ступенчатой форме подводимого к двигателю напряжения превышения температур элементов конструкции двигателя возрастают в сравнении с режимом питания синусоидальным напряжением на 15-30 %.

При питании от преобразователя частоты и прямоугольной форме подводимого напряжения с широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному закону - на 2-10 %.

Это обстоятельство необходимо учитывать при определении допустимой по условиям нагрева мощности двигателя во всем диапазоне регулирования частоты вращения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Осташевский Н.А., Иваненко В.Н.|, Петренко А.Н. Потери в частотно-управляемом асинхронном двигателе при различных законах регулирования и типах преобразователей // Электротехника и электромеханика. - 2009. - № 3. - С. 37-41.

2. Радин В.И., Брускин А.Э., Зорохович А.Е. Электрические машины. Асинхронные машины. - М.: Высшая Школа, 1988. - 324 с.

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

4. Осташевский Н.А., Петренко А.Н. Исследование теплового состояния частотно-управляемого асинхронного двигателя при изменении нагрузки // Электротехника и электромеханика. - 2010. - № 3. - с. 23-27.

Поступила 22.09.2010

Петренко Александр Николаевич, начальник расчетного отдела АО "СКВ Укрэлектромаш"

61050, Харьков, ул.Искринская, 37

A.N. Petrenko

Experimental investigation of a frequency-controlled induction motor heating under different power sources.

The paper considers a problem of experimental investigation of a frequency-controlled induction motor thermal condition under different power sources. Three supply circuits are chosen for the experimental investigation. The investigations are conducted with an ANV90LB4 motor in which ST-1-19 thermistors are installed. Action of every supply circuit on the motor thermal condition is estimated.

Key words - frequency-controlled induction motor, thermal condition, supply circuit, experimental investigation.