Диссертация (Применение двухмассовой тепловой модели для организации защиты в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиФЕДОРОВА КСЕНИЯ ГЕОРГИЕВНАПРИМЕНЕНИЕ ДВУХМАССОВОЙ ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ ДЛЯОРГАНИЗАЦИИ ЗАЩИТЫ В ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОМАСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕСпециальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессор В.Ф. КозаченкоМосква, 2018ОглавлениеВведение ......................................................................................................................

4Глава1.Обзорсуществующихтепловыхмоделейдлячастотно-регулируемого асинхронного электродвигателя .................................................. 111.1 Одномассовая тепловая модель ..................................................................... 111.2 Тепловая схема замещения (многомассовая тепловая модель) ................. 131.3 Двухмассовая тепловая модель ..................................................................... 181.4 Описание предложенной тепловой двухмассовой модели асинхронногодвигателя ........................................................................................................................

23Результаты и выводы ............................................................................................ 26Глава2.Методыэкспериментальногоопределенияпараметровдвухмассовой тепловой модели ................................................................................ 282.1 Экспериментальное определение потерь в подшипниках .......................... 282.2 Определение коэффициента теплоотдачи статора в окружающуюсреду ....................................................................................................................... 302.3 Определениетеплоемкостейстатораиротораикоэффициентатеплоотдачи между статором и ротором ....................................................................

34Результаты и выводы ............................................................................................ 40Глава 3. Экспериментальные исследования по определению параметровтепловой модели .......................................................................................................... 413.1 Описание экспериментальной установки ..................................................... 413.2 Калибровка теплоизоляционной рубашки для определения потерь вподшипниках ................................................................................................................. 473.3 Снятие зависимости потерь в подшипниках двигателя от скоростивращения ........................................................................................................................

493.4 Определение параметров тепловой модели ................................................. 51Результаты и выводы ............................................................................................ 58Глава 4. Тепловые эксперименты для электропривода с датчикомтемпературы в лобовой части обмотки статора ................................................... 5924.1 Описание экспериментальной установки .....................................................

594.2 Результаты тепловых экспериментов ........................................................... 664.3 Определение потерь на гистерезис и вихревые токи .................................. 774.4 Определение числа масс роторной цепи ...................................................... 88Результаты и выводы ............................................................................................

91Глава 5. Методика оценки теплового состояния электропривода сасинхронным электродвигателем в процессе работы для защиты понагреву ........................................................................................................................... 935.1 Методика оценки теплового состояния электропривода с асинхроннымэлектродвигателем ........................................................................................................ 965.2 Программнаяэлектродвигателявреализациясоставеалгоритмарасчетаэлектроприводасотепловогосостоянияскалярнойсистемойуправления ...................................................................................................................

1005.3 Проверка адекватности методики ............................................................... 103Результаты и выводы .......................................................................................... 107Заключение ............................................................................................................. 108Библиографический список ................................................................................

110Приложение А ........................................................................................................ 116Приложение Б ........................................................................................................ 119Приложение В ………………………………………………………………… 1463ВведениеНа сегодняшний день асинхронные электроприводы потребляют около 60%всей электроэнергии [1]. Эксплуатация электроприводов в России и Европеосуществляется с разной степенью нагруженности. Коэффициент использования вЕвропе принимается равным 0,6÷0,7, а в России он равен 0,3÷0,4.

Это ведет кувеличению потерь и, следовательно, к снижению КПД [1-3].Сегодня большая часть вводимых в эксплуатацию электроприводов сасинхроннымОсновнымиэлектродвигателемпроблемамивпланеявляютсячастотно-регулируемыминадежностидляэтого[4].современногоэлектропривода является выбор мощности в процессе проектирования и еготепловая защита в процессе работы [1, 2].Современные преобразователи частоты отечественных и зарубежных фирмимеютвстроеннуювремятоковуюзащиту,обеспечивающуюотключениедвигателя в случае его перегрева в результате перегрузки или неправильнойнастройки законов частотного регулирования.

В известных (описанных влитературе) отечественных решениях [1, 5-10] тепловая модель сводится капериодическому звену, на вход которого подается квадратичное значение тока,нормированное относительно номинального значения. Апериодическое звеноможет менять постоянную времени в зависимости от выходной частоты, чтобыправильно отражать изменение теплоотдачи, которая связанна с изменениемчастотывращениясамовентилируемогодвигателя.Взарубежныхпреобразователях частоты известных фирм применяются решения, которые повнешним признакам оперируют более точной моделью, однако описание моделейотсутствует в открытой литературе, так как является «ноу-хау» компаний.Известные методы косвенной проверки двигателя по нагреву при выборе егомощности, такие как метод эквивалентного тока или момента [1], сильно устарелии не подходят для частотно-регулируемого асинхронного электропривода.

Этосвязано с непостоянством потока электродвигателя и теплового сопротивления отэлектродвигателя к окружающей среде вследствие изменения скорости вращенияи эффективности работы самовентиляции.4Данная проблема не может быть решена стандартными методами, такими какприменение времятоковых реле. Поэтому в современные электродвигатели вкачестве опций встраивают термосопротивления или биметаллические тепловыереле [10]. Альтернативой аппаратным защитам является программная оценкатеплового состояния электродвигателя, которая встраивается непосредственно всистему управления преобразователя частоты, входящего в состав комплектногоэлектропривода.Учет тепловых потерь, нагрева частей электродвигателя можно выполнять поэлектрической модели электропривода и тепловой модели электродвигателя приизвестном законе регулирования, токах фаз и скорости вращения (возможен ивариант решения без датчика скорости), что позволит оценить тепловое состояниеэлектродвигателя в процессе эксплуатации с целью его защиты от перегрева.Развитие вычислительных возможностей микроконтроллеров систем управленияэлектроприводов позволяет применить методы численного интегрирования дляпросчета электрических и тепловых моделей в реальном времени.Такимобразом,развитиетеориизащитычастотно-регулируемогоасинхронного электропривода от перегрева средствами системы управленияпреобразователя частоты с использованием численных методов являетсяактуальной задачей и позволяет сформулировать цель диссертационной работы.Цель диссертационной работы — развитие теории контроля тепловыхрежимов работы электродвигателей в составе общепромышленного частотнорегулируемого электропривода средствами системы управления преобразователячастоты в процессе эксплуатации.Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставленыи решены следующие задачи:1.

Выбор тепловой модели асинхронного электродвигателя, пригодной дляиспользования применительно к частотно-регулируемому электроприводу.2. Разработкаметодикиэкспериментальноготепловой модели.5определенияпараметров3. Разработкаметодикиоценкитепловогосостояниячастотно-регулируемого асинхронного электродвигателя, подходящей для тепловойзащитыасинхронногоэлектродвигателясредствамисистемыуправленияпреобразователя частоты.4.

Проверка адекватности разработанной тепловой модели и методовоценки теплового состояния.Методы исследования. Для решения поставленных в работе задачиспользовались: теория электропривода, теоретические основы электротехники,теория обобщенной электромеханической машины, численные методы длямоделирования процессов с использованием языка высокого уровня Си.Обоснованностьидостоверностьнаучныхположенийивыводовподтверждена результатами экспериментальных исследований на физическихобъектах с использованием оборудования лаборатории «Энергосберегающийэлектропривод» учебного центра «МОЭК – МЭИ» и оборудования лабораторииучебно-консультационного центра «АББ – МЭИ». А также применением широкоапробированных программных пакетов и использованием наиболее проверенныхдля решаемых задач математических моделей и сопоставлением результатовмоделирования и экспериментальных исследований.Научная новизна работы заключается в следующем:определено, что для частотно-регулируемого электропривода подходит двухили трехмассовая тепловая модель асинхронного электродвигателя;разработана методика экспериментального определения параметров тепловоймоделиасинхронногоэлектродвигателя,построеннаянаизмерениитемпературы железа статора или температуры лобовой части обмотки;экспериментально установлены границы применимости двух- и трехмассовойтепловой модели асинхронного электродвигателя;разработанаметодикаоценкитепловогосостоянияасинхронногоэлектродвигателя, применимая для тепловой защиты средствами системыуправления электропривода, отличающаяся большей точностью от известныхсуществующих методик.6Основной практический результат диссертации состоит в следующем:разработан способ экспериментального определения параметров тепловоймодели асинхронного двигателя, описаны порядок проведения экспериментови требования к оборудованию;разработанная методика оценки теплового состояния электродвигателяпозволяет проводить численное моделирование тепловых процессов призаданномспособерегулированияитекущихпараметрахработыэлектропривода для защиты от перегрева средствами системы управленияпреобразователя частоты;разработанная методика оценки теплового состояния электродвигателяприменима для интеграции в программное обеспечение преобразователейчастоты для организации тепловой защиты без использования датчикатемпературы;экспериментально подтверждена возможность применения двухмассовойтепловоймодели на высокихскоростяхвращения инеобходимостьприменения более сложной трехмассовой модели на низких скоростях.Апробациязаседанияхработы.кафедрыОсновныерезультатыавтоматизированногоработыэлектроприводаобсуждалисьНИУна«МЭИ»,докладывались на VII Международной (XVIII Всероссийской) конференция поавтоматизированному электроприводу (Иваново, ИГЭУ, 2012 г.), на 17-ой и 19-оймеждународных научно-технических конференциях студентов и аспирантов«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, НИУ «МЭИ»), на 51ой Международной Университетской конференции UPEC-2016 (г.