скачать PDF

Аннотация

Для снижения просадки напряжения в процессе запуска высоковольтных асинхронных двигателей широко используются устройства плавного пуска на основе тиристорных преобразователей напряжения. При таком запуске высокоинерционных электроприводов наблюдается перегрев роторной обмотки двигателя, что вызывает серьезный термомеханический стресс для элементов ротора, приводящий к выходу машины из строя. Целью работы является получение аналитических соотношений для приближенной оценки перегрева обмотки ротора в пусковых режимах. В работе применялись аналитические методы на основе интегральных уравнений Фредгольма и численное моделирование на основе метода тепловых схем в пакете Matlab/Simulink. На основе решения уравнения Фредгольма второго рода получены аналитические соотношения для расчета максимума температуры обмотки ротора при пуске с учетом теплоотдачи в окружающую среду. Результаты расчетов по этим выражениям были проверены с помощью комплексной модели, которая включает в себя все элементы привода от питающей сети до рабочего механизма. Показано, что адиабатический подход для оценки максимума температуры роторной обмотки при пуске, не учитывающий теплоотдачу в окружающую среду, может приводить к существенной ошибке. Получены аналитические выражения, позволяющие выполнить приближенный учет неравномерности распределения температуры вдоль обмотки ротора при оценке ее максимальной температуры. Обоснован подход, который позволяет выполнить оценку максимума температуры обмотки в пусковых режимах на основе соотношений, устанавливающих взаимосвязь между температурой элементов двигателя и энергией, которая выделяется в них и передается в окружающую среду, без решения дифференциальных уравнений, которые описывают изменение температуры во времени. Полученные результаты позволяют провести оценку максимальной температуры обмотки ротора в пусковых режимах без привлечения методов численного моделирования, для использования которых у проектировщика электропривода зачастую недостаточно информации о конструктивных особенностях двигателя.

Ключевые слова

Асинхронный двигатель, обмотка ротора, интегральное уравнение Фредгольма, тепловая модель, термомеханический стресс. В наше время такая редкость получить срочную бесплатную консультацию. Такая консультация с грамотным специалистом позволит решить любую проблему.

Зюзев А.М., Метельков В.П. ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

1. A Survey of Condition Monitoring and Protection Methods for Medium-Voltage Induction Motors / P. Zhang, Y. Du, T.G. Habetler, B. Lu // IEEE Trans. Ind. Appl. 2011. No. 1. Vol. 47. P. 34-46.

2. Albers T., Bonnett A. H. Motor temperature considerations for pulp and paper mill applications // IEEE Trans. Ind. Appl. 2002. No. 6. Vol. 38. P. 1701–1713.

3. Bonnett A.H., Soukup G.C. Cause and analysis of stator and rotor failures in three-phase squirrel-cage induction motors // IEEE Trans. Ind. Appl. 1992. No. 4. Vol. 28. P. 921−937.

4. Condition Monitoring of Rotating Electrical Machines / Tavner P., Ran L., Penman J., Sedding H. London: The Institution of Engineering and Technology, 2008. 304 p.

5. Fu F.L. Engineering calculation of the starting temperature rise for the asynchronous motor // Electr. Machinery Technol. 1993. Vol. 2. P. 9−11.

6. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985. 560 с.

7. Sheng Z. W. Calculation of temperature rise of rotor bars and end rings of squirrel cage induction motors during starting // Explosionproof Electr. Mach. 2005. Vol. 40. P. 12-14.

8. ГОСТ Р МЭК 60034-2-1−2009. Машины электрические вращающиеся. Ч. 2-1: Стандартные методы определения потерь и коэффициента полезного действия вращающихся электрических машин (за исключением машин для подвижного состава). М.: Стандартинформ, 2011. 53 с.

9. Асинхронные двигатели общего назначения / Бойко Е.П., Гаинцев Ю.В., Ковалев Ю.М. и др. М.: Энергия, 1980. 488 с.

10. Полянин А. Д., Манжиров А.В. Справочник по интегральным уравнениям. М.: Физматлит, 2003. 608 с.

11. Staton D., Susnjic L. Induction Motors Thermal Analysis // Strojarstvo. 2009. Vol. 51 (6). P. 3−631.

12. Chan C.C., Wang H.-Q. An effective method of rotor resistance identification for high-performance induction motor vector control // IEEE Trans. Ind. Electron. 1990. Vol. 37. No. 6. P.477−482.

13. A robust rotor temperature estimator for induction machines in the face of changing cooling conditions and unbalanced sypply / Gao Z., Habetler T.G., Harley R.G. // Proc. of the IEEE Int. Elect. Mach. Drives Conference. San Antonio, TX, May 15−18, 2005. P. 591−596.

14. A sensorless rotor temperature estimator for induction machines based on a current harmonic spectral estimation scheme / Z. Gao, T.G. Habetler, R.G. Harley, S. Colby // IEEE Trans. Ind. Electron. 2008. No. 1. Vol. 55. P. 407-416.

15. Зюзев А.М., Метельков В.П., Яшин Д.А. Анализ пусковых режимов асинхронного электропривода нагнетателя RC 4A-3N-95 // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике // Материалы II Международной научно-технической конференции (21−22 апреля 2016 г.). Пермь: ПНИИПУ, 2016. С. 136-143.

16. Ziuzev A.M., Metelkov V.P. Research of the start-up modes of multi-stage blower asynchronous drive // Proc. IEEE IX Int. Conf. on Power Drives Systems (ICPDS), Perm, Oct. 3−7, 2016, pp.1−5.

17. Boglietti A., Cavagnino A., Staton D.A. TEFC Induction Motors Thermal Models: A Parameter Sensitivity Analysis // IEEE Trans. on Ind. Appl. 2005. Vol. 41. Issue 3. P. 756–763.

18. Evolution and Modern Approaches for Thermal Analysis of electrical machines / A. Boglietti, A. Cavagnino, D. Staton, M. Shanel, M. Mueller, C. Mejuto // IEEE Trans. Ind. Electron. 2009. No. 3.Vol. 56. pp. 871 882.

19. Tang W.H., Wu Q.H., Richardson Z.J. A Simplified Transformer Thermal Model Based on Thermal-Electric Analogy // IEEE Trans. On Power Delivery. 2004. No. 3. Vol. 19. P. 1112–1119.

20. Зюзев А.М., Метельков В.П. О температурной зависимости параметров термодинамических моделей электродвигателей // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2016, № 2 (544), С. 12−17.

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