Диссертация (Применение двухмассовой тепловой модели для организации защиты в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе), страница 2

Коимбра,Португалия) и на 17-ой Международной конференции по мехатроникеMechatronika (г. Прага, Чехия).Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в томчисле 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основныхрезультатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидатанаук, 3 — в изданиях, включенных в базу Scopus.7Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав,общих выводов, библиографического списка и 3 приложений. Количествостраниц — 147, иллюстраций — 56, число наименований использованнойлитературы — 58.В первой главе представлен обзор литературы и кратко описаны основныевиды существующих тепловых моделей асинхронных электродвигателей:одномассовая;многомассовая;двухмассовая.Указаныихдостоинстваинедостатки.Предложенаиобоснованаоптимизированная тепловая модель асинхронного электродвигателя, пригоднаядля численного моделирования тепловых процессов при работе двигателя всоставе частотно-регулируемого электропривода.Во второй главе рассмотрена методика экспериментального определенияпараметров двухмассовой модели.Предложеныиописаныметодикиэкспериментальногоопределенияследующих параметров асинхронного электродвигателя:коэффициентатеплоотдачистаторавокружающуюсредустеплоизоляционной рубашкой и потерь в подшипниках в зависимости от скоростивращения двигателя;коэффициента теплоотдачи статора в окружающую среду в зависимостиот скорости вращения двигателя;теплоемкостей статора и ротора и коэффициента теплоотдачи междустатором и ротором методом наименьших квадратов.Представленасхемапитанияасинхронногоэлектродвигателяотпреобразователя частоты, при которой потери в роторе близки к нулю.В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований поопределению параметров тепловой модели.8Дано описание экспериментальной установки для проведения тепловыхиспытаний на базе лаборатории «Энергосберегающий электропривод» кафедрыАЭП.

Представлены кривые нагрева электродвигателя на разных скоростях,график изменения потерь в подшипниках, а также результаты определенияпараметров для двух- и одномассовых моделей двигателя, которые показываютпреимущества использования двухмассовой модели.В четвертой главе была произведена проверка методики для случаяприменения датчика температуры, расположенного в лобовой части обмоткистатора.Дано описание экспериментальной установки для проведения тепловыхиспытаний на базе лаборатории электропривода учебно-консультационногоцентра «АББ – МЭИ». Представлены графики изменения температуры лобовойчасти обмотки исследуемого двигателя во времени для частот вращения 0, 250,500, 750 и 1000 об/мин, которые с учетом изменения температуры окружающейсреды были пересчитаны в перегрев.

Описаны методики определения потерь нагистерезис и вихревые токи и определения числа тепловых масс роторной цепи.В пятой главе представлена методика оценки теплового состояния частотнорегулируемого асинхронного электродвигателя с использованием аппаратаобобщенной электромеханической машины и двухмассовой тепловой модели.Представлена программная реализация алгоритма расчета теплового состоянияэлектродвигателя в составе скалярной системы управления электропривода.Также в пятой главе представлены результаты проверки методики оценкитеплового состояния при отработке заданной тахограммы и нагрузочнойдиаграммы работы электропривода. Приведены экспериментальные данныеизменения температуры лобовой части статорной обмотки. Для представленнойметодики расчета теплового состояния электродвигателя по измеренным токам инапряжениям проведен расчет работы электропривода в разомкнутой системескалярного управления при заданных управляющих и возмущающих воздействияхс вычислением температуры статорной обмотки.

Проведено сопоставлениеэкспериментальных и расчетных данных. Проведено сравнение результатов9экспериментов и нового метода с применяемым в настоящее время в системахуправления преобразователей частоты серии «Универсал» и «Универс», котороепоказало преимущество разработанной методики по сравнению с применяемыми.В заключении обобщены основные результаты работы.10Глава 1. Обзор существующих тепловых моделей для частотнорегулируемого асинхронного электродвигателяНа сегодняшний день в изученной литературе описаны как простые тепловыемодели асинхронных электрических двигателей, которые дают только примерноепредставление о нагреве двигателя, так и очень сложные, где необходимо знатьспецифические параметры,которые зачастуюизвестнытолькозаводам-какправило,изготовителям.Причастотномрегулированииэлектродвигатель,эксплуатируется при переменных потоке, теплоотдаче и соотношениях потерь встаторной и роторной цепях.

Вместе с тем, наиболее критичной к нагреву частьюасинхронного электродвигателя является изоляция обмотки статора [11]. Поданным [12] доля отказов по причине повреждения обмоток для асинхронныхэлектродвигателей мощностью более 5 кВт составляет 85–95%.1.1 Одномассовая тепловая модельВ основу простейшей тепловой модели положено уравнение тепловогобаланса [1, 13]. При построении данной модели делаются следующие допущения– электродвигатель представляется как однородная масса с равномернораспределеннымиисточникамитепла,сбесконечнойвнутреннейтеплопроводностью, с теплоотдачей, пропорциональной разности температурыдвигателя и окружающей среды.Уравнение теплового баланса для данной тепловой модели представленоследующим образом [1]:Pdt  Adt  Cd  ,где P – мощность потерь,A – коэффициент теплоотдачи,C – теплоемкость,  дв  ос – разность температуры двигателя и окружающей среды.Разделив (1.1) на Ad , получим11(1.1)  TTd кон ,dt(1.2)где TT  C / A – тепловая постоянная нагрева,кон  P A – установившееся значение перегрева.Полученное выражение соответствует инерционному звену.

При постоянныхпотерях в двигателе и постоянной теплоотдаче во внешнюю среду превышениетемпературы изменяется по экспоненциальному закону (рисунок 1.1):  (нач  кон )et TT  кон ,(1.3)где нач – перегрев в начальный момент времени.Даннымуравнениямсоответствуетструктурнаясхемадинамическойтепловой модели, приведенная на рисунке 1.2. Тепловая модель представляется ввиде апериодического звена, на вход которого подается мощность потерь, и навыходе которого — перегрев. устtРис. 1.1 – Изменение перегрева для одномассовой тепловой моделиP1A TT p+1Рис. 1.2 – Структурная схема динамической тепловой моделиВ классических косвенных методах проверки электродвигателя по нагреву(метод средних потерь и метод эквивалентных величин) используется именноданная тепловая модель электродвигателя.12К достоинствам одномассовой модели можно отнести ее простоту инадежность оценки теплового состояния двигателя при его работе с постоянноймощностью (потери в двигателе P и тепловой поток в двигателе постоянны) инеизменной температурой окружающей среды.

Параметры такой модели можнокосвенно рассчитать из паспортных данных электрического двигателя.Одномассовая модель обладает следующими недостатками:– модель рассчитана на неизменное соотношение потерь в статоре и роторе;– очень грубые допущения, применяемые для составления одномассовоймодели, могут стать причиной ошибки в расчетах оценки теплового состояния;– модель плохо применима для большинства частотно-регулируемыхприменений, где регулирование скорости осуществляется в широком диапазоне снелинейной настройкой кривой напряжения в функции частоты;1.2 Тепловая схема замещения (многомассовая тепловая модель)В самом общем случае электрический двигатель представляет собойсовокупность элементов (обмотки, магнитопровод и механические узлы), каждыйиз которых имеет свой источник тепла, имеют различную теплоемкость, сразличной теплоотдачей и нагреваются до различных температур [14].При построении такой тепловой модели необходимо соблюдать допущения,применяемые и для одномассовой тепловой модели: каждый выбранный элементэлектродвигателя является однородным телом с равномерно распределеннымиисточниками тепла и с бесконечной внутренней теплопроводностью.

Всятепловая система машины заменяется эквивалентной электрической системой.Создание ее основано на аналогии тепловых потоков и электрических токов,тепловых и электрических сопротивлений.Q   RT ,(1.4)I  U RЭ ,(1.5)где Q – тепловой поток, эквивалентный току I; – перепад температур, эквивалентный U – разности потенциалов;13RТ – тепловое сопротивление, эквивалентное электрическому сопротивлениюRЭ.Делается замена всех участков двигателя (однородных в тепловомотношении) эквивалентными тепловыми сопротивлениями [15] и для нихзаписывается система уравнений теплового баланса. Данный способ чаще всегоиспользуется в проектировании.Примеры таких схем замещения представлены на рисунках 1.3 и 1.4.

Впервом случае [16] статор разбивают на три однородных в тепловом отношениитела, являющихся источниками тепла:– пазовая и лобовая части обмотки с потерями в них PЛ , PП ;– стальной сердечник с потерями PС .tЛtПtCRИЗRПРPЛPПPCQПРQЛRЛQИЗQПRПQCRCtXРис. 1.3 – Схема замещения статора для трех источников теплаНа рисунке 1.3 показаны средние температуры источников тепла (пазовойчасти обмотки tП , лобовых частей t Л и сердечника статора tС ), тепловыесопротивления (лобовых частей обмотки RЛ , пазовой части RП и сердечника RC ,между пазовой и лобовой частями обмотки RПР , между пазовой частью обмотки исердечником RИЗ ), тепловые потоки в двигателе ( QЛ , QПР , QП , QИЗ , QС ) итемпература окружающей среды tX .Во втором случае [17] асинхронный двигатель рассматривается как системаиз следующих тепловых однородных тел: ротор, воздушный зазор, статор, корпуси внутренняя охлаждающая среда, внешняя охлаждающая среда.14Рис.