Какой из двигателей постоянного или переменного тока выйдет в лидеры в промышленности и на транспорте?

УДК 621.311.4

КАКОЙ ИЗ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ИЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫЙДЕТ В ЛИДЕРЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НА

ТРАНСПОРТЕ?

А.В. МАСЛОВ, Ш.И. ВАФИН

Казанский государственный энергетический университет

В данной статье рассматриваются некоторые пути совершенствования устройства пуска и регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя с фазным ротором с целью улучшения эффективности его работы.

Ключевые слова: асинхронный двигатель с фазным ротором, электропривод.

Значительное количество электродвигателей, используемых в технологических процессах в промышленности, а также в качестве тяговых двигателей на транспорте, должны удовлетворять требованиям плавного регулирования частоты вращения ротора в широком диапазоне.

До недавнего времени, пока не появились мощные высоковольтные тиристоры и транзисторы, таким требованиям удовлетворяли и находили широкое применение в промышленности и на транспорте два вида двигателей: постоянного тока (ДПТ); переменного тока - асинхронный с фазным ротором (АДФР).

С разработкой электроприводов, преобразующих постоянный ток в трехфазный с регулируемой частотой в больших пределах (ЧРЭП), в промышленности и на транспорте начали использовать электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР), совмещенные с ЧРЭП. Эта тенденция наметилась как у нас, так и за рубежом. В связи с отмеченным, нам представляется, что необоснованно стали забываться ДПТ и АДФР, верой и правдой прослужившие долгие годы во всех отраслях отечественного и зарубежного производства.

Последнее замечание подтверждается, например, в работе [1], где отмечаются большие потенциальные возможности ДПТ как в исключении искрения в коллекторе, так и в повышении напряжения питания якоря в несколько раз, с доведением его до 6 кВ.

В работе [1] показывается, что при питании контактной сети переменным током напряжением 25 кВ в электрическом железнодорожном транспорте электрические потери в контактной сети от тяговых ДПТ даже меньше, чем у АДКР с ЧРЭП, а первоначальные капитальные затраты на ДПТ в разы меньше чем для АДКР с ЧРЭП. Эти выводы в основном совпадают с результатами работ [2-4] и других в данной области.

Что же касается АДФР, то это тот вид двигателя, который может поддерживать максимальное значение момента на все время его пуска, и поэтому используемый в системах с тяжелыми условиями пуска, и, в тоже время, позволяет плавное регулирование частоты в широком диапазоне. Отмечая вышеизложенное, нами предлагается некоторое совершенствование устройства пуска и регулирования частоты АДФР, основываясь на достижениях полупроводниковой техники, с целью некоторого улучшения эффективности АДФР.

© А. В. Маслов, Ш.И. Вафин

Начнем рассмотрение АДФР с применением на электрическом железнодорожном транспорте, ибо тяговые двигатели в этой отрасли работают, как известно, в условиях, считающихся наиболее тяжелыми.

Предположим такое, что контактная сеть однофазная питается переменным током напряжением 25 кВ, а питание АДФР равно 6 кВ. Поэтому на электровозе устанавливается силовой трансформатор с коэффициентом трансформации

и кс 25 ,

п = —= — « 4,

ипит 6

а на выходе силового трансформатора - преобразователь числа фаз, преобразующий однофазную систему питания в трехфазную.

Что же касается повышения эффективности АДФР, то они направлены:

• на ограничение пускового тока, что позволит исключить их ударное действие на фазные обмотки статора, а также отрицательное воздействие на их изоляцию;

• на отбор электроэнергии ротора в процессе работы АДФР и, тем самым, обеспечение экономии электроэнергии до 5^10% от потребления АДФР;

• на обеспечение плавности регулирования частоты во всем диапазоне ее изменения, поддержания момента АДФР на максимальном или на номинальном заданном уровне.

Упрощенная функциональная схема системы управления тяговым АДФР представлена на рис. 1.

Рис. 1. Упрощенная функциональная схема системы управления тяговым АДФР: 1 - контактная сеть; 2 - силовой трансформатор; 3 - ограничитель пускового тока; 4 - преобразователь числа фаз; 5 - АДФР; 6 - трехфазный трансформатор в цепи ротора; 7 - выпрямитель переменного тока ротора; 8 - электронное устройство пуска и регулирования частоты; 9 - потребитель электроэнергии; 10 -

блок ручного и автоматического управления

Схема подключения силового трансформатора к контактной сети с ограничением пускового тока, показанная на рис. 2, более наглядно дает представление работы схемы ограничения пускового тока.

Первичная обмотка силового однофазного трансформатора подключается к контактной сети. Начало и концы вторичной обмотки трансформатора подключаются к коллекторам транзисторов УТ1Л и УТ1Б соответственно, а также к контактам двухполюсного контактора КМ. Параллельно УТ1Л и УТ1Б подключены диоды УБ1Л и УБ1Б соответственно. Во время пуска АДФР контакты КМА разомкнуты. Транзисторы открыты таким образом, что ограничивает пусковой ток на уровне (1+1,3)1н. С набором оборотов ток в статорной цепи уменьшается, контактор КМ замыкается и схема ограничения пускового тока шунтируется. Вторичная обмотка трансформатора

непосредственно кондуктивно подключается к входу электромагнитного преобразователя числа фаз, схема которого показана на рис. 3. Данная схема преобразует однофазную систему питания в трехфазную.

Рис. 2. Схема ограничения пускового тока

Известно, что мгновенная мощность однофазной системы пульсирует с двойной частотой питающего напряжения

Р(l) = Im sin ratU m sin (rat + ф) = = (UmIm/2)• [cosф - cos(2rat + ф)]

от значения Рм

(UmIm cosф/2) до отрицательного значения мощности

Р(отриц.) =-UmIm (1 - cosФ) пРи Угле Ф> 0В трехфазной симметричной системе мгновенная мощность каждой фазы

Рk (t) = -EmIm sin[rat-(k -1)2я/3] sin[rat-ф-(к -1)2я/3] = = (EmIm cosф)/2-EmIm cos[2rat-ф-2(k-1)2n/3]/2,

где к = 1,2,3 - номер фазы.

Так как мгновенное значение мощности всей системы Р(*) равно сумме мгновенных значений мощности во всех фазах, то

3 3

P(t ) = X Pk = X(EmIm/2 )cos ф-k=1 k=1 3

-(EmIm/2 )X[2 rat-ф-2 (k -1 )2 n/3 ]. k=1

Второй член функции (3) равен нулю. Поэтому в трехфазной симметричной системе мощность не изменяется во времени:

Р (t )= X(EmIm/2 )cos ф = (3 EmIm/2 )cos ф = P. k=1

Преобразование неуравновешенной системы с пульсирующей с двойной частотой мгновенной мощностью в уравновешенную систему с постоянной

мгновенной мощностью возможно только в том случае, если преобразователь содержит элементы, способные накапливать энергию.

Получение симметричной трехфазной системы напряжения на трехфазной (симметричной) нагрузке при питании от однофазной сети может осуществляться путем соответствующего включения дросселя и конденсатора между нагрузкой и питающей сетью.

Накопителями энергии в этом случае являются реактивные элементы. В схеме на рис. 3 одним из линейных напряжений трехфазной системы является напряжение однофазной сети.

б)

Рис. 3. Схема электромагнитного преобразователя числа фаз и его схема замещения

Симметричную трехфазную нагрузку представим в виде двух однофазных: ^ЛБ" подключена непосредственно к зажимам питающей сети; 2ос" подключена между средней точкой однофазного автотрансформатора и зажимом С преобразовательной схемы (рис. 3, б).

Векторная диаграмма напряжений в схеме рис. 3, б приведена на рис 3, в. Так как и лб = и л = линейному напряжению трехфазной нагрузки, а

и ос =^Р3и л /2 (как высота равностороннего треугольника), то при

Iл = Sн / 4ъил получим:

$ ОС = и ОС1Л = $ Н /2; 2 ОС = иос/1Л = 3и Л / 2 = 2 л/2;

2ЛБ = 2иЛБ / $Н = 2 2Л /3. Поэтому

$ ЛБ = и ЛБ/2 ЛБ = $ Н /2,

где 2л - сопротивление трехфазной нагрузки между двумя ее зажимами (соответствующее ее линейному напряжению и л ); $ н - полная мощность всей нагрузки.

Выражения (5) и (6) показывают, что через преобразователь проходит половина мощности трехфазной нагрузки $ ос, вторая половина мощности потребляется непосредственно от однофазной сети, минуя преобразователь.

Линейный ток через зажим С определяется в соответствии с диаграммой рис. 3, в:

IЛ = 1с + 1ь .

Ток конденсатора I c опережает напряжение U cв на электрический угол 90°, а ток дросселя IL отстает от напряжения U AC также на электрический угол 90°. Поскольку I л является током нагрузки и сдвинут относительно напряжения Uoc на угол ф н, то для обеспечения равенства (7) необходимо выполнить условие:

IС = 2 £ ^ш

1ь = 2£^ш

тогда:

й С =

йь =

Поэтому

йЬ + йС =

где Рц - активная мощность нагрузки.

На основании (10) и (11) можно вычислить емкость конденсатора и индуктивность дросселя:

С =

Ь =

Электронное устройство пуска и регулирования частоты вращения АДФР показано на рис. 4. Оно содержит транзистор УТ1, подключенный к независимому слаботочному источнику питания, к эмиттеру которого подключены параллельно включенные резистор Я4 с емкостью С2. Выходные управляющие сигналы снимаются с эмиттера, выход которого подключен к базам управляемых транзисторов УТ1А, УТ1В (рис. 2) и УТ2 ^ УТ4 (рис. 3), база управляющего транзистора УТ1 подключается к переменному резистору Я2 делителя напряжения, состоящего из последовательно соединенных резисторов Я1 , Я2 , Я3, а к Я3 параллельно подключен конденсатор С1. Диоды УБ1, УБ2, УБ3 соединены параллельно с транзисторами УТ2, УТ3, УТ4 соответственно. Коллекторы транзисторов и эмиттеры диодов соединены с обмотками трехфазного трансформатора, который подключается к цепи ротора асинхронного двигателя. Вторичные обмотки трансформатора подключены к трехфазному выпрямителю на диодах.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Электродвигатель работает в режимах пуска, регулирования скорости и останова.

УБ

Потребители

ЭЛРКТрО-ЛКрГИИ

Рис. 4. Устройство пуска и регулирования электрического асинхронного двигателя с фазным ротором

До включения электродвигателя в режим пуска формируется управляющее напряжение требуемой величины положительной полярности на резисторе И4, соединенного с эмиттером транзистора УТ1, коллектор которого подключен к слаботочному источнику питания положительной полярности, а база транзистора УТ1 соединена с делителем напряжения, регулирующим величину подаваемого на базу транзистора УТ1 напряжения через переменный резистор И2. При подаче на базу УТ1 управляющего сигнала УТ1 открывается или закрывается, подавая тем самым сигнал на открытие или закрытие транзисторов УТ2 + УТ4. В момент пуска транзисторы УТ2 + УТ4 открываются до такой степени, что их

сопротивления представляют величину, равную расчетному добавочному пусковому сопротивлению. При включении электродвигателя в режим пуска контакты КМ1 разомкнуты и пусковые токи ротора протекают через первичные обмотки трансформатора, начала которых подключены к цепи ротора двигателя, конец обмотки каждой фазы подключен к коллектору транзистора и катоду диода, параллельно включенного с транзистором. Во время пуска обмотки трансформатора представляют индуктивные сопротивления, а переходные сопротивления полупроводниковых транзистора и диода - активные сопротивления. По мере набора скорости увеличивают управляющее напряжение на базе транзистора УТ1, а соответственно увеличиваются напряжения и на базах транзисторов УТ2УТ4, открывая их в большей степени и, таким образом, снижая их активное сопротивление. Индуктивное сопротивление обмотки трансформатора также снижается из-за снижения частоты тока ротора. Изменяя сопротивления резистора И2 плавно увеличивают управляющее напряжение на резисторе И4, т.е. на базах транзисторов УТ2  УТ4, доведя их практически до насыщения, при котором частота вращения ротора приближается к номинальной. При этом контакты КМ1 и КМ2 замыкаются и частота вращения ротора достигает номинального значения юн.

Чтобы уменьшить частоту вращения ротора размыкают контакты КМ1 и КМ2 и, изменяя сопротивление резистора И2, уменьшают величину положительного напряжения на базе транзистора УТ1. Это приводит к снижению управляющего напряжения на резисторе И4 и транзисторы УТ2  УТ4 начинают несколько запираться, т.е. меньше пропускают ток, их сопротивление увеличивается, скорость двигателя уменьшается. Таким образом, изменением сопротивление резистора И2, достигается уменьшение или увеличение скорости электродвигателя.

Начала вторичных обмоток трехфазного трансформатора подключены к трехфазному выпрямителю на диодах УБ4 - УБ7, УБ5 - УБ8, УБ6 - УБ9, катоды УБ4, УБ5, УБ6 объединяются вместе и подключаются на вход потребителя электрической энергии, а аноды диодов УБ7, УБ8, УБ9 также объединяются вместе и подключаются к выходу потребителя электрической энергии. Таким образом, достигается отбор энергии скольжения ротора при работе электрического асинхронного двигателя с фазным ротором.

Как известно, отличием асинхронного электродвигателя от трансформатора является вращающаяся обмотка ротора. Для учета последнего вводится показатель работы АДФР - скольжение - я. Конструктивно АДФР позволяет включать в цепь ротора добавочный резистор Ядод, что дает возможность воздействовать на пусковые параметры двигателя. Так, с увеличением активного сопротивления фазной цепи ротора Я2 = г2 + Ядод увеличивает якр, однако

М тах при этом остается неизменным.

Как известно, электромагнитный момент АДФР и его поддержание на уровне М = М0 + М2 = Мст (где М0 и М2 - момент холостого хода и момент на валу двигателя соответственно; М ст - статический момент), обеспечивает устойчивую работу в установившемся режиме.

Электромагнитный момент пропорционален электромагнитной мощности:

М = рэм/ю 1. Учитывая, что

Рэм = Рэ2 I5 и ш 1 = 2п«1/60, получаем М = Рэ2/(о 1 я) = т 112г2 /(о 1 я). Если подставить в последнюю формулу значение тока ротора, то получим

тли 2 Я 2

М =-1 1 2

о 15

для двигателей мощностью свыше 1 кВт значение С1 = 1,04  1,08, и Я2 = Я2КеК}, X2 = X2КеК}. Ке и К}- коэффициенты трансформации напряжения и тока соответственно:

Ке = Е1 /Е2 и Е2 = Е2Ке ; Ке = к0б1 Wl/k0б2™2;

Кi = т 1 коб1/(т2^2коб2 )= т1Ке/т2.

Режим пуска двигателя является наиболее тяжелым, так как этот режим является переходным процессом, как самих тяговых двигателей, так и статической нагрузки, из состояния покоя в состояние движения. Если в этом режиме не ограничивать пусковые токи, то они могут достигать значений, превышающих номинальный ток в 5  7 раз.

Влияние сопротивления ротора значительно отражается как на пусковом токе, так и на моменте. Так, если Я2 = Я2 + Ядоб, то пусковой момент возрастает и

при Я2 = Я2 + Ядоб = Х1 + С1X2 достигает наибольшего значения Мптах . При Я2 > X1 + С1X2 пусковой ток уменьшается, но уменьшается и пусковой момент. Необходимо также отметить, что при введении Ядод снижает Iп до значения Iп =(2,0 + 2,5)1 н. Если же условия допускают, то есть Мст незначительно, то для дальнейшего снижения 1п =(1,0 +1,3) 1н необходимо пользоваться ограничителем пускового тока, приведенным на рис. 2.

Введение в цепь ротора трехфазного трансформатора увеличивает индуктивное сопротивление Xк = Х1 + Х2 + Хтр на значение Хтр = 2п/1 &£тр .

С одной стороны, Х тр обеспечивает автоматическое плавное регулирование

частоты вращения АДФР. С другой стороны, необходимо минимизировать LTр,

чтобы не вводить большое добавочное сопротивление в цепь ротора для повышения пускового момента Мп и, чтобы й2 было оптимальным с точки зрения минимизации электрических потерь.

Нам представляется, что при оптимизации ряда параметров пускорегулирующего устройства АДФР вполне могут конкурировать с ДПТ как в качестве тягового двигателя на электрическом транспорте, так и в промышленном производстве, так как в последнем варианте АДФР еще более упрощается из-за наличия трехфазной питающей сети. На сегодня, во первых, не произведена оптимизация параметров как ДПТ, так и АДФР для некоторых условий эксплуатации этих двух видов двигателей, так и не отработаны единые

методики их сравнения. Поэтому пока будем предполагать, что эти два вида двигателей равноценны для условий эксплуатации при тех требованиях, которые были определены ранее.

В заключение можно сделать следующие выводы:

1. Предварительная оценка трех видов двигателей: ДПТ, АДФР, АДКР с ЧРЭП показала, что АДКР с ЧРЭП представляется более громоздким и дорогостоящим из-за современных ЧРЭП с двукратным преобразованием тока, сложности управления (изменение частоты питающей сети требует соответствующего управления уровнем напряжения).

2. Два вида двигателей ДПТ и АДФР представляются примерно равноценными по громоздкости и стоимости.

3. Самым сложным представляется выбор критериев сравнения этих трех видов двигателей для конкретных условий их эксплуатации, для объективного выбора какого-либо одного из них, удовлетворяющих выработанным критериям.

4. Исследования ДПТ и АДФР показали, что у этих видов двигателей имеются относительно высокие потенциальные возможности улучшения их эксплуатационных характеристик. В области исследования АДКР ведутся очень интенсивные работы в части совершенствования ЧРЭП, однако нам представляется, что устранение вышеуказанных недостатков ЧРЭП будет практически трудно реализуемой проблемой из-за значительных мощностей тяговых двигателей, особенно для железнодорожного транспорта.

5. Предлагается уделить большее внимание на необходимые, практически незначительные усовершенствования ДПТ и АДФР, чтобы они нашли свое достойное применение в промышленности и на транспорте.

Summary

In given clause some ways of perfection of the device of start-up and regulation of frequency of rotation of the asynchronous electric motor with a phase rotor with the purpose of improvement of efficiency of its work are considered.

Key words: asynchronous engine with a phase rotor, the electric drive.

Литература

1. Вафин Ш. И. О потнциальной возможности повышения эксплуатационной надежности коллектороно-щеточного узла двигателя постоянного тока // Энергетика Татарстана. №2 (10). 2008. С 74-80.

2. В. Е. Розенфельд, И. Л. Исаев, Н. Н. Сидоров. Теория электрической тяги. М.: Транспорт. 1983.

3. Основы электрического транспорта: Учебник / Под редакцией профессора М. А. Слепцова. М.: ACADEMA. 2006.

4. Электротехника. Книга 2 // Под редакцией П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина. Челябинск-Москва: изд-во ЮУрГУ.

Поступила в редакцию 22 мая 2009 года

Маслов Александр Владимирович - аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8-927459-49-12. E-mail: lxnr@rambler.ru

Вафин Шамсумухамет Исламович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 229-52-65; 8-919-627-75-12.