Диссертация (Применение двухмассовой тепловой модели для организации защиты в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе), страница 7

Тепловые эксперименты для электропривода с датчикомтемпературы в лобовой части обмотки статораС открытием на кафедре АЭП лаборатории учебно-консультационногоцентра «АББ – МЭИ» появилась возможность использовать для проведенияопытов встроенные в электродвигатель термосопротивления типа PT100,размещенные в лобовых частях обмотки статора. Для проведения тепловыхиспытаний была собрана экспериментальная установка на стендах даннойлаборатории.4.1 Описание экспериментальной установкиЭкспериментальная установка собиралась на базе оборудования учебногоцентра «АББ – МЭИ».

В состав лабораторных стендов входят: исследуемый асинхронный двигатель с короткозамкнутым роторомM3AA132MC [45] мощностью 5,5 кВт с номинальной частотой вращения 1000об/мин; двигатель постоянного тока независимого возбуждения CD2007P-2 [46]мощностью 7,5 кВт; фазный асинхронный двигатель MTF 112-6 [47] мощностью 5 кВт сноминальной частотой вращения 930 об/мин; синхронный двигатель с постоянными магнитами BSM100C-6250 [48] сноминальной частотой вращения 2400 об/мин и номинальным моментом 30 Нм; преобразователидляпитанияэлектродвигателей:преобразовательчастоты ACS800-11-0016-3 [49] для асинхронных двигателей, преобразовательчастоты ACS880 [50], тиристорный преобразователь DCS800 [51] для двигателяпостоянного тока; сильфонные муфты BKE для сопряжения валов двигателей с датчикоммомента; квадратурный датчик положения для точного определения скоростивращения двигателя;59 анализатор сети (цифровой ваттметр), датчики тока и напряжения; тахогенератор PTG50XP и датчики момента DBRK на 100 и 200 Нм,установленные между двигателями; встроенная термопара PT100 в лобовой части обмотки статораэлектродвигателя; преобразователь сигнала термосопротивления; все датчики подключены к цифровому компьютерному осциллографу L791 фирмы L-Card.В используемых лабораторных стендах плата АЦП измерительной системытак же, как и в лаборатории работает совместно с программой PowerGraph [43].На рисунке 4.1 представлены временные зависимости тока, напряжения, моментаи перегрева двигателя, которые позволяет снимать данная лабораторнаяустановка.60Рис.

4.1 – Пример работы программы PowerGraph испытательного стенда61Задача экспериментальной установки – обеспечить питание двигателя нахолостом ходу с целью определения зависимости температуры от времени приизвестных потерях в статоре электрической машины. Холостой ход выбран длятого, чтобы исключить потери в роторной цепи и не разделять подводимуюэнергию на потери в статоре и роторе.

Так как для данной машины скольжение нахолостом ходу очень мало, то испытуемый двигатель не подкручиваетсянагрузочной машиной. Это, в том числе, позволяет провести оценку потерь встали двигателя. Для этого испытуемый асинхронный двигатель запитывается отрегулируемого источника переменного тока, в качестве которого можетиспользоваться асинхронный двигатель с фазным ротором (АДФР). Для вращенияАДФР используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым роторомвторого лабораторного стенда, питающийся от преобразователя частоты ACS880.Для возбуждения роторной цепи АДФР использовался тиристорный выпрямитель(ТВ) DCS800.Собранная схема и внешний вид стенда представлены на рисунках 4.2 и 4.3.62380 В380 ВТВAiОВзадПЧДТДНPWАД ФРИДПРtИсследуемый АДПТСАДАЦППКПЧ380ВРис.

4.2 – Схема испытательного стенда:ПТС – преобразователь сигнала термосопротивления, ИДПР – датчикположения ротора, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ПК –персональный компьютер, ДТ – датчик тока, ДН – датчик напряжения, PW–цифровой ваттметр, А – амперметр63Рис. 4.3 – Внешний вид испытательного стенда64Получаемая при такой схеме форма питающего напряжения содержалавысшие гармоники от пульсаций тока возбуждения АДФР, так как постояннаявремени фазных обмоток АДФР незначительная по сравнению с пульсациейнапряжения выпрямителя 300 Гц. Для устранения данного недостатка быливнесены изменения в экспериментальную схему: теперь тиристорный возбудительпитает обмотку возбуждения генератора постоянного тока, раскручиваемого отсинхронного двигателя с постоянными магнитами.

В свою очередь генераторпостоянного тока возбуждает роторную цепь АДФР. Это позволило сгладитьформу тока и напряжения генератора постоянного тока, питающего обмоткиротора асинхронного двигателя с фазным ротором.Для проведения опытов была собрана схема, представленная на рисунке 4.4.Исследуемый асинхронный двигатель (АД) отсоединен от нагрузочного АДФР,чтобы снизить долю механических потерь. Он работает на холостом ходу ипитаетсянапряжениемрегулируемойамплитудыичастоты.Мощность,подводимая к статору, вычисляется по показаниям цифрового ваттметра (PW) ипроверяется по показаниям цифрового осциллографа, принимающего сигналы сдатчиков тока (ДТ) и напряжения (ДН). Принято, что мощность, выделяемая вроторной цепи, значительно меньше мощности, выделяемой в статорной цепи.Это подтверждается показаниями скорости, вычисляемой преобразователемчастоты по сигналам инкрементального датчика положения ротора (ИДПР),который указывает на практическое отсутствие скольжения.

В качествегенератора регулируемого напряжения регулируемой частоты используетсяасинхронный двигатель с фазным ротором (АДФР), приводимый во вращениекороткозамкнутым асинхронным двигателем (АД), питаемым от преобразователячастоты (ПЧ). Изменяя скорость вращения приводного двигателя, производитсяизменениечастотынапряжениягенератора.Регулированиеамплитудынапряжения генератора осуществляется путем изменения значения постоянноготока в роторной цепи, которая в свою очередь питается от двигателя постоянноготока (ДПТ), работающего в генераторном режиме. Генератор приводится вовращениечастотно-регулируемымэлектроприводом65ссинхроннымэлектродвигателем с постоянными магнитами (СДПМ), а выходной токрегулируется изменением возбуждения от тиристорного выпрямителя (ТВ).

Такаясложная схема позволяет получить достаточно качественную форму питающегонапряжения для исследуемого двигателя. Внешний вид испытательной установкипредставлен на рисунке 4.5.4.2 Результаты тепловых экспериментовВ результате экспериментов были получены кривые изменения температурыво времени для частот вращения 0, 250, 500, 750 и 1000 об/мин, которые с учетомизменения температуры окружающей среды были пересчитаны в перегрев.Мощность потерь в статорной цепи для каждого опыта получалась разной ификсировалась в каждой точке графика.

На рисунках 4.6 – 4.10 представленыпостроенные в программе Excel графики перегрева испытуемого асинхронногоэлектродвигателя во времени для всех измеренных скоростей.Так как эксперименты занимали длительное время, то параллельно сизмерениемтемпературыдвигателяпроводилосьизмерениетемпературыокружающей среды. Видно, что утром (в начале эксперимента), температуравсегда немного ниже, чем вечером (в конце эксперимента).Мощность при проведении опыта не стабилизировалась. Во-первых, всистеме не было возможности получить обратную связь, так как измерительмощности обеспечивал только визуальное отображение информации. Во-вторых,ручная стабилизация сопровождалась неточностями установки мощности ипродолжительными процессами с перерегулированиями, что вносило лишнююпогрешностьвэксперимент.В-третьих,программа,используемаяприопределении параметров тепловой модели, позволяла проводить моделированиепроцессов и поиск параметров при изменении подводимой мощности.Таким образом, система работала в разомкнутом режиме и сохраняласоотношение питающего напряжения к частоте в всём диапазоне исследуемыхскоростей.66380 В380 ВТВiОВзадПЧAДТДНДПТPWАД ФРИДПРtИсследуемый АДAПТСS NСДПМАДАЦППКзадПЧ380 ВПЧ380 ВРис.

4.4 – Схема скорректированной испытательной установки67Рис. 4.5 – Испытательная установка для определения параметров тепловой моделиэлектродвигателя с датчиком в лобовой части обмотки68Рис. 4.6 – График перегрева двигателя для частоты вращения 1000об/минТепловые эксперименты для частоты вращения 1000 об/мин проводились приследующих условиях:- начальная температура окружающей среды — 22,12°С- подводимая мощность — около 90 Вт (см.

таблицу П2 в Приложении Б).Экспериментальные данные о процессе нагрева сведены в таблицу П2Приложения Б.69Рис. 4.7 – График перегрева двигателя для частоты вращения 750 об/минТепловые эксперименты для частоты вращения 750 об/мин проводились приследующих условиях:- начальная температура окружающей среды — 22,36 °С- подводимая мощность — около 60 ВтЭкспериментальные данные о процессе нагрева сведены в таблицу П3Приложения Б.70Рис. 4.8 – График перегрева двигателя для частоты вращения 500 об/минТепловые эксперименты для частоты вращения 500 об/мин проводились приследующих условиях:- начальная температура окружающей среды — 20,08 °С- подводимая мощность — около 43 ВтЭкспериментальные данные о процессе нагрева сведены в таблицу П4Приложения Б.71Рис.

4.9 – График перегрева двигателя для частоты вращения 250 об/минТепловые эксперименты для частоты вращения 250 об/мин проводились приследующих условиях:- начальная температура окружающей среды — 22,01 °С- подводимая мощность — около 33 ВтЭкспериментальные данные о процессе нагрева сведены в таблицу П5Приложения Б.72Рис. 4.10 – График перегрева двигателя для скорости частоты 0 об/минТепловые эксперименты для частоты вращения 0 об/мин проводились приследующих условиях:- температура окружающей среды — 23,23 °С- подводимая мощность — около 200 ВтЭкспериментальные данные о процессе нагрева сведены в таблицу П6Приложения Б.73На рисунке 4.11 для большей наглядности представлены совмещенныеграфики изменения перегрева исследуемого двигателя во времени для частотвращения 0, 250, 500, 750 и 1000 об/мин.а)74б)Рис. 4.11 –Совмещенные графики изменения перегреваа) все время эксперимента по нагреву; б) начало нагрева.График перегрева для остановленного двигателя построен по правой оси.По характеристикам при частотах вращения 0 и 250 об/мин виден резкийрост температуры в начале, что говорит о прекращении перемешивания воздухалопатками вентилятора, и что масса меди лобовой части обмотки статоравыделяется в отдельную третью массу.График при остановленном двигателе имеет характерный быстрый ростперегрева лобовой части статорной обмотки.