Аннотация
Прямой пуск от сети асинхронных короткозамкнутых двигателей характеризуется возникновением пиковых бросков пусковых токов и слабозатухающих колебательных составляющих электромагнитного момента, что в комплексе приводит к просадке напряжения, ускоренному износу изоляции обмоток асинхронных двигателей, ударам, резонансным колебаниям и деформации в механическом оборудовании. Поэтому снижение электрических и механических нагрузок в механическом оборудовании металлургической и горной промышленности за счет разработки рациональных схемных решений при прямом пуске асинхронного двигателя является актуальной научно-технической задачей. Целью статьи является оценка возможностей ограничения пусковых токов и моментов асинхронного короткозамкнутого двигателя за счет последовательности подачи на его статорные обмотки фазного напряжения. Для ее оценки разработана динамическая компьютерная модель трехфазного асинхронного двигателя с учетом особенностей подключения статорной обмотки к питающей сети при прямом пуске, проведены необходимые исследования и определены требования к рациональным схемным решениям для асинхронных электроприводов, приводящих к снижению электрических и механических нагрузок. Теоретические исследования выполнены с привлечением методов теоретических основ электротехники, теории электрических машин, теории автоматического управления и автоматизированного электропривода. При расчете переходных процессов использовался программный пакет Matlab Simulink. Разработаны достоверные математическая и компьютерная модели трехфазных асинхронных двигателей мощностью 75, 200, 315 и 350 кВт, позволяющие исследовать в динамике варианты прямого пуска с учетом потерь в стали статора, вытеснения тока ротора, кривой намагничивания главного потока, механической нагрузки и инерционности ротора. Задержки подачи напряжения на фазы В и С позволяет снизить максимум момента по отношению к моменту номинальному с 8,22 до 3,16 и время колебаний с 0,29 с до 0,035 с. Получены зависимости максимумов модуля тока статора и электромагнитного момента в зависимости от угла сдвига трех фаз питающего напряжения по отношению к нулевым начальным условиям асинхронного двигателя. Сформулированы выводы и требования к схемным решениям для рационального прямого пуска, позволяющие регулировать максимальные нагрузки и колебательность в начале прямого пуска.
Ключевые слова
Трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель, компьютерная модель, прямой пуск, свободные колебания момента, начальные значения напряжения, схемные решения.
1. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе / М.М. Соколов, Л.П. Петров Л.Б., Масандилов, В.А. Ладензон. М.: Энергия, 1967. 200 с.
2. Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. М.: Энергоиздат, 1981. 84 с.
3. Виноградов А.Б. Учет потерь в стали, насыщения и поверхностного эффекта при моделировании динамических процессов в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе // Электротехника. 2005. № 5. С. 57–61.
4. Сравнительная оценка способов пуска асинхронных двигателей по колебательной составляющей электромагнитного момента / М.В. Вечеркин, А.С. Сарваров, Е.В. Макарчева, А.В. Макаров // VIII Международная (XIX всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу (АЭП). Саранск, 2014. С. 197–202.
5. Каширских В.Г., Переверзев С.С. Сравнительный анализ способов плавного пуска асинхронных электроприводов горных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) ГИАБ, 2005 / Семинар № 17. DOI: 10.25018/02361493-2019-11-0-199-207.
6. Ключев В.И. Теория электропривода: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 560 с.
7. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000. 654 с.
8. Bin Wu. High-Power Converters and ac Drives. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE. US. 2006. 333 p. DOI 10.1002/9781119156079.
9. Cadirci I., Ermis M., Nalcacl E., Ertan B., Rahman M. A solid state direct on line starter for medium voltage induction motors with minimized current and torque pulsations, IEEE Transactions on Energy Conversion. Vol. 14, Iss. 3, 1999. P. 402–412. DOI 10.1109/60.790889.
10. Ion Vlad, Aurel Campeanu, Sorin Enache, Monica-Adela Enache. Study of direct-on-line starting of low power asynchronous motors. 2017 International Conference on Electromechanical and Power Systems (SIELMEN), 2017, DOI 10.1109/SIELMEN.2017.8123313.
11. Güdelhöfer J., Gottkehaskamp R., Möckelю A. Transient Model of Direct on Line Induction and Synchronous Reluctance Motors with Inter-bar Currents. 2018 XIII International Conference on Electrical Machines (ICEM), Alexandroupoli, Greece, 2018. DOI 10.1109/ICELMACH.2018.8507162.
12. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока. СПб.: Питер, 2008. 350 с.
13. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984. 240 с.
14. Omelchenko E., Khramshin T., Tanich, V. Dynamic Computer Model of Traction Asynchronous Motor / Proceedings – 2019 IEEE Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Mettallurgy Industry: Research and Practice, PEAMI 2019. DOI 10.1109/PEAMI.2019.8915408.
15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014617766. Динамическая математическая модель трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором / Омельченко Е.Я., Тележкин О.А., Моисеев В.О., Енин С.С. // ОБПБТ. 2014. №8.
16. Омельченко Е.Я. Математическая модель трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2011. №15. С. 49-53.
17. Омельченко Е.Я., Моисеев В.О., Тележкин О.А. Математическая модель системы «Преобразователь частоты-асинхронный двигатель» с улучшенным пусковым моментом // АЭП 2012: труды VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. Иваново, 2012. С. 169–172.
18. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.
19. Теоретические основы электротехники: учебник для вузов. В 3-х т. Т. 1. / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. СПб.: Питер, 2003. 463 с.
20. Yanxia Lu, Chunyang Chen, Haichuan Tang, Ruikuo Liu. Simulation and research on direct torque control of asynchronous traction motor. Proceedings of the 29th Chinese Control Conference, Beijing, China. 2010. Pp. 3423-3427.
21. Энергоэффективные испытательные стенды для электродвигателей / Е.Я. Омельченко, А.В. Белый, С.С. Енин, Н.В. Фомин // Электротехнические системы и комплексы. 2018. №3(40). С. 12-19. DOI 10.18503/2311-8318-2018-3(40)-12-19.