Диссертация (Применение двухмассовой тепловой модели для организации защиты в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе), страница 10

4.16 – График изменения скорости при нагреве испытуемого двигателяпри постоянном моменте сопротивленияРезультаты и выводы:Были разработаны схемы на базе стендов лаборатории учебного центра «АББ– МЭИ» для проведения испытаний по определению параметров двухмассовойтепловой модели.На базе разработанных схем был проведен ряд тепловых экспериментов дляразличных частот вращения исследуемого асинхронного электродвигателя. Попроведенным экспериментам можно сделать следующие выводы:Для частот вращения выше 500 об/мин можно использовать двухмассовуютепловую модель с раздельными массами статора и ротора.Для частот вращения ниже 500 об/мин следует использовать как минимумтрехмассовую тепловую модель, однако для определения параметров этой моделиоказывается недостаточно измерения температуры в одной точке, так как91достаточно хорошее совпадение модели с экспериментальными данными отодного датчика температуры можно получить в широком диапазоне измененияпараметров модели.Экспериментально было подтверждено, что ротор асинхронных двигателейможет быть представлен одномассовой системой и разделение его на массыалюминия и стали для двигателей с залитой беличьей клеткой не требуется.92Глава 5.

Методика оценки теплового состояния электропривода сасинхронным электродвигателем в процессе работы для защиты понагревуОсновным источником тепла в асинхронном двигателе являются потери вобмотках статора и ротора, в стали и механические потери [53]. Нагревпроисходит, в основном, за счёт энергии, выделяющейся в проводниках с током.Кроме этого, тепло выделяется в стали (магнитные потери) и во вращающихсяэлементах машины (механические потери) [54].

При этом следует разделитьмеханические потери, которые являются моментом нагрузки на валу и затратамина процесс охлаждения машины и потери в подшипниках, производящие нагревдвигателя. Последние, как показали результаты, представленные в третьей главе,пренебрежимо малы по сравнению с остальными потерями.На сегодняшний день известен способ оценки и контроля нагрева и защитыобмоток электродвигателя от перегрева, возникающего от токовых перегрузокнедопустимой продолжительности, в том числе при потере одной из фаз, сиспользованием тепловых реле, основой которых являются термоэлементы,связанные через исполнительный механизм с контактами в цепи катушкиконтактора, срабатывающих от превышения тока, который может привести кперегреву, тепловому старению изоляции обмоток и преждевременному выходуиз строя электродвигателя [55].Недостаткомтакогоспособаявляетсянесоответствиепревышенийноминального тока в обмотках статора электродвигателя температуре их нагревапри частотном регулировании при изменении скорости вращения вентиляторасамовентилируемого двигателя.

В этом случае даже при номинальном значениитокаэлектродвигателятемпературанагреваобмотокможетпревыситьдопустимые значения, в то время как защита не сработает. Кроме этого, данныйспособ не учитывает теплового состояния роторной цепи.Наиболее близким аналогом к предлагаемой методике является способоценки теплового состояния двигателя по среднеквадратичным токам фаз,заключающийся в измерении фазных токов двигателя, возведения их в квадрат и93нормировании относительно квадрата номинального тока.

Полученное значениехарактеризуеттепловыделениевобмоткахстаторапоотношениюкноминальному и, будучи поданным на одномассовую тепловую модель двигателя,позволяет вычислить его перегрев, что используется для защиты двигателя.Данный способ оценивает потери на активном сопротивлении статорной цепиасинхронного двигателя, может учитывать изменение теплоотдачи двигателя прирегулировании скорости вращения самовентилируемых двигателей и позволяетсравнить их с номинальными потерями [1].Недостатком данного способа является то, что он не применим приизменении поля двигателя при частотном регулировании, так как при изменениипотока потери в роторной цепи могут меняться в широких пределах.Из алгоритмов, применяемых в современных преобразователях частоты, намдоступна лишь информация по изделиям, разработанным на кафедре АЭП.Другие производители преобразователей частоты не публикуют информацию оприменяемых алгоритмах.

Так, тепловая модель в преобразователях частоты«Универсал», выпускаемых до 2012 года, была реализована по нижеописанномупринципу.Тепловая модель двигателя построена на базе метода эквивалентного тока,применяемого для проверки двигателя по нагреву [1]. Условия работы методаподразумевают, что двигатель работает с потоком, близким к номинальному, тоесть с линейной кривой зависимости напряжения от частоты, так как только вэтом случае метод способен правильно оценить потери и защитить двигатель отперегрева.Нагрев двигателя происходит из-за выделения потерь, которые припостоянствепотокаасинхронногодвигателябудутприблизительнопропорциональны квадрату току.

Теплоотдача при номинальной скорости равнаноминальным потерям при номинальном перегреве двигателя. При уменьшениискорости вращения двигателя у самовентилируемых машин наблюдаетсяухудшение теплоотдачи, которое приводит к тому, что двигатель на низкихоборотах перегревается при протекании по нему номинального тока. Так как94постоянная времени нагрева двигателя определяется отношением теплоемкостидвигателя к теплоотдаче, то при уменьшении теплоотдачи возрастает постояннаявремени. Было проведено преобразование полной тепловой модели к расчетнойдля системы управления.Полная тепловая модель, изображенная на рисунке 5.1, имеет на входе потери P i 2 , которые принимаются пропорциональными квадрату тока.Потери, за вычетом теплоотдачи производят нагрев двигателя, имеющеготеплоемкость C , после чего получается оценка перегрева . Перегревумножается на коэффициент теплоотдачи в номинальном режиме – A икоэффициент ухудшения теплоотдачи –  , вызванный возможным уменьшениемскорости вращения двигателя. P i 21CpAРис.

5.1 – Тепловая модель двигателя в преобразователях частоты«Универсал», выпускаемых до 2012 годаПосле преобразования к системе относительных единиц и упрощениясистемы получаем структуру, показанную на рисунке 5.2.i*2*1  уст f 1TT ном f p 1*Рис. 5.2 – Результирующая тепловая модель для преобразователей частоты«Универсал», выпускаемых до 2012 года95На вход поступает квадрат тока двигателя. При номинальном значении токаи скорости это будет соответствовать номинальным потерям, а, следовательно, вустановившемся режиме перегрев будет стремиться к номинальному. Однакокоэффициент ухудшения теплоотдачи  меняется при изменении скоростивращения.

Так как информации о скорости вращения у нас нет, то будем считать,что скорость вращения приблизительно равна выходной частоте (если выражать вотносительных единицах). Тогда можно определить  из заданного допустимоготока при нулевой скорости – I 0 и допустимого тока при номинальной скорости –I ном :22 I 0*    I 0*   *  0    н   0  f   *    1   *   f .(5.1)II ном    ном  С использованием полученных в предыдущих главах информации одвухмассовой тепловой модели следует разработать новый алгоритм организациизащиты двигателя от перегрева средствами системы управления преобразователячастоты.5.1Методикаоценкитепловогосостоянияэлектроприводасасинхронным электродвигателемПредставленная методика оценки теплового состояния асинхронногоэлектродвигателяосновываетсянаиспользованииаппаратаобобщеннойэлектромеханической машины и двухмассовой тепловой модели.Имеются уравнения равновесия статорной обмотки асинхронного двигателяв осях, вращающихся синхронно с напряжением статора:d  sx 0 sy ; dt(5.2)d  syusy  isy Rs  0 sx , dtПо измеренным токам и заданным напряжениям с помощью уравненийusx  isx Rs электромагнитныхпроцессовстаторнойцепиасинхронногодвигателя,пренебрегая переходными процессами, вычисляют потокосцепление статора [53]:96usx  isx Rs ;0,usy  isy Rs  sx ,0где usx и usy – напряжения статора по осям х, у; sy  (5.3)isx и isy – токи статорной цепи;Rs – активное сопротивление статорной цепи;0 – скорость холостого хода.Затем, находятся потокосцепления по уравнениям: sx  Lsisx  Lmirx ; (5.4) sy  Lsisy  Lmiry , Зная данные потокосцепления, а также индуктивность статора и взаимнуюиндуктивность, можно найти токи роторной цепи: sx  Lsisx ;Lm sy  Lsisy iry ,Lmгде Lm – взаимная индуктивность статора и ротора.irx (5.5)Это позволяет по измеренным токам статора и вычисленным токам ротора, иизвестным активным сопротивлениям статорной и роторной цепей получитьоценку мгновенных тепловых потерь в массах статора:3 2isx Rs  isy2 Rs  Piron ,2где Piron — потери на гистерезис и вихревые токи,Ps (5.6)и потери в роторе:3 2irx Rr  iry2 Rr ,2где Rr – активное сопротивление роторной цепи.Pr (5.7)Потери в стали для роторной цепи не учитываются из-за малой частотытоков ротора.97Параметры схемы замещения асинхронного двигателя считаем известными,так как их определение не входит в задачи данной работы.