Диссертация (Моделирование и анализ электромеханических процессов в асинхронных машинах с общим валом), страница 3

Механические характеристики М=f(ω) асинхронных машин в составемногомашинного агрегата при параллельной работе на нагрузкуВ системах транспорта, особенно в гибридных электромеханическихтрансмиссиях, перспективно применение комплекса тяговых асинхронныхмашин.Современныйэлектрифицированныйэнергоэффективныйпромышленный транспорт комплектуется мотор – колесами, каждое из которыхпредставляет собой тяговую асинхронную машину, приводящее в движениесвое колесо. На рисунке 1.5 показан колесный трактор «Кировец-9450»мощностью 455 л.с. с такой реализацией электромеханической трансмиссии.Дизельныйдвигательвращаетмотор-генератор,электрическаяэнергиякоторого через преобразователи частоты подается на каждое мотор-колесо.16Преобразователи частоты управляются контроллером и реализуют заданнуюпрограмму движения [116].Рис.

1.5. Колесный трактор «Кировец-9450» мощностью 455 л.с.с электромеханической трансмиссиейТак как колеса при движении работают по одной плоскости и приотсутствии пробуксовок вращаются с одинаковой линейной скоростью, томожно говорить о связи между ними, а, следовательно, и о механической связимежду двигателями.Очевидно, что электромеханические процессы в машинах, работающихпараллельно и, возможно, с общим валом, будут взаимосвязанными, так какбудут взаимосвязаны моменты машин, действующие на общую механическуюнагрузку, на один вал, и уравновешиваемые моментом сопротивления. Приопределенных условиях некоторые из параллельно работающих на общий валэлектродвигателей могут быть перегружены, а другие через общую нагрузкумогут перейти в генераторный режим.Для эффективной параллельной работы разных элементов во всех этихслучаях необходимо соблюдение условий параллельной работы.

И если дляэффективной параллельной работы разных ветвей обмоток, трансформаторов и17генераторов выработаны такие условия [24], то для эффективной параллельнойработы разных электродвигателей на общую механическую нагрузку такиеусловия требуют проработки.1.2. Энергоэффективные методы испытаний асинхронных машинВыпуск новых энергоэффективных тяговых асинхронных машин [27, 28],оценка качества ремонта эксплуатируемых машин, требуют примененияповеренных и эффективных систем испытаний. Трудоемкость испытанийэлектрических машин достигает 13 % затрат на их изготовление. Затратыэлектроэнергии на испытания мощных асинхронных машин могут составитьсотни тысяч кВт*ч.

Поэтому исследование и применение энергосберегающихметодов и установок испытаний асинхронных машин является актуальным.Большой вклад в развитие методов испытания электрических машин внеслиГольдберг О.Д., Жерве Г.К., Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л., Кравчик А.Э.,Андрианов М.В., Родионов Р.В., Рапопорт О.Л. и другие.В настоящее время целесообразно проведение испытаний мощныхасинхронных машин с рекуперацией энергии в сеть [22, 94, 106]. Реализацияподобных схем на практике предполагает наличие в составе систем испытанийустройств, позволяющих механическую энергию, переданную в нагрузкуиспытуемой машине, преобразовать в электрическую и отдать в сеть. Такиесхемы разрабатывались первоначально для испытаний тяговых двигателейэлектровозов и описаны в [31, 105].Для нагрузки машины в таких схемах использовались либо синхронныйгенератор, либо генератор постоянного тока.

Пример данной схемы испытанийпоказан на рисунке 1.6. Испытуемая асинхронная машина (АМ) нагружаетсягенератором постоянного тока (Г), которой, в свою очередь, отдает энергиюпостоянного тока двигателю постоянного тока (ЭД 3). Двигатель ЭД 3 вращаетротортрехфазногосинхронногогенератора18(СГ),который,будучисоединеннымссетью,отдаетэнергиютрехфазноготокавсеть.Вспомогательный двигатель ЭД 5 служит для запуска агрегата в работу.Анализ подобных схем испытания показывает, что энергоэффективностьиспытаний тем ниже, чем больше ступеней преобразования энергии из одногорода в другой. Данная схема, как и подобные ей, описанные в [9, 26, 58, 61, 62,106], с модификациями может быть использована и для испытанийэлектрических машин переменного тока от источника синусоидальногонапряжения.Рис.

1.6. Схема испытаний асинхронных электродвигателейс рекуперацией энергии в сетьСделанный в работах [8, 9] анализ различных схем испытаний тяговыхэлектродвигателей позволили предложить схему испытаний методом взаимнойнагрузки [9, 10]. Такая схема испытаний асинхронных машин, в противовес19рассмотренной выше, состоит только из двух машин – испытуемой инагрузочной, что уменьшает требуемые площади для испытаний и потериэлектроэнергии. При такой технологии испытаний первая асинхронная машина(М1) питается от источника напряжения с регулированием частоты вверх,например от преобразователя частоты (ПЧ), и работает в режиме двигателя, авторая (М2), соединенная с первой общим валом, – работает на сеть постояннойчастоты в режиме генератора, нагружая первую машину механически (рис.

1.7)[89]. Поскольку при реализации данной схемы машины соединены валами, то искорости вращения машин будут одинаковы. При определенном подборемощностей и параметров машин испытываются одновременно обе машины вполном объеме.Рис. 1.7. Схема испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузкиПотребленная из сети испытуемым двигателем М1 энергия возвращаетсяобратно в сеть генератором М2, за вычетом потерь в самих машинах.Компенсация потерь в машинах осуществляется из сети. Поскольку частотнорегулируемые электрические машины зачастую питаются от ПЧ с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ) напряжения, то и стендовые испытаниянеобходимо проводить при питании их от реальных источников напряжения,так как потери в двигателе при питании от источника синусоидальногонапряжения и от ПЧ различны [3, 15, 19, 30, 41, 49].Так как принципиально машины в составе системы испытаний могут бытьразными (по номинальной скорости, напряжению, мощности), то и амплитуды20механических характеристик они будут иметь разные (рис.

1.8). Примем, чтоэлектромагнитные моменты машин М1, работающей в двигательном режиме, иМ2,работающейвгенераторномрежиме,противонаправлены,аихмеханические характеристики обратные.Рис. 1.8. Совмещенные механические характеристики машин в системе испытанийасинхронный генератор –двигательС увеличением частоты питающего напряжения первая испытуемаямашина начинает работать в двигательном режиме, происходит ее нагружение.Механическая характеристика двигателя сдвигается вправо с изменениемсинхронной скорости и несколько меняется по форме при изменениииндуктивных сопротивлений [34].

Механическая характеристика машины,работающей в генераторном режиме, не изменяется, так как машина работаетпри постоянном номинальном напряжении и частоте.Поскольку машины связаны между собой через общий вал, то очевидно,что пересечение характеристик является точкой устойчивой работы агрегата иотражает нагрузочные моменты обеих машин.Так как скорости машин одинаковы и при испытаниях они должныработать в номинальном режиме, то приравняв частоты вращения машин2160 f M60 f G(1  sM ) (1  sG ) ,pMpGможно определить частоту напряжения, которую необходимо подать от ПЧ надвигатель [9, 55, 85] для заданных нагрузок, определяемых скольжениямидвигателя s M и генератора sG .f M  fG1  sG.1  sMУстановокдляиспытаниймощныхасинхронныхтяговыхэлектродвигателей с реализацией энергосберегающей технологии испытаний ирекуперациейэнергиивсетьнемного.Однаизсовременныхавтоматизированных установок создана в ПАО «НИПТИЭМ» (фото 1.9).Фото 1.9.

Автоматизированный стенд для испытаний асинхронных машинмощностью до 400 кВт методом взаимной нагрузкиУчитывая возможную большую мощность испытуемых машин, которая,например, на испытательном стенде ПАО «НИПТИЭМ» при реализацииданной схемы, может достигать 400 кВт [18, 47, 48], необходимо иметьвозможность прогнозирования характера электромеханических переходныхпроцессов, проходящих в асинхронных машинах в процессе испытаний, пуска,22нагружениямашинобусловленныхвсоставевозможнымагрегата,переходомопасныхчастирежимовмашинвработы,режимэлектромагнитного тормоза, ударными токами при пуске агрегатов.

Этопозволяет дать заключение о характеристиках машин, об энергоэффективностииспытаний с возможностью учета частоты и формы питающего напряжения,выработатьрекомендациипосовершенствованиюсистемиспытанийасинхронных машин.1.3. Применяемые методы моделирования асинхронных машин собщим валом и их ограниченияНаиболееэффективнымметодомпредсказанияхарактераэлектромеханических процессов в электромеханических системах являетсяматематическое моделирование, и в связи с этим необходима тщательнаяпроработка вопроса моделирования многомашинных агрегатов, базой длякоторого могут являться модели одиночной асинхронной машины различногоуровня реализации.Большой вклад в моделирование и исследование электромеханическихпроцессов в асинхронных машинах внесли Иванов-Смоленский А.В., КопыловИ.П., Беспалов В.Я., Макаров Л.Н. и многие другие.Электромагнитный момент двигателя при постоянных параметрах обмотокопределяется как [34]2  r'mpM U M  2 M  sM MM r'22f1M  x 1M  x' 2 M    r1M  2 MsMгдеf1–частотапитаниямашины,2,x 1M  2f1M L 1Mсопротивление рассеяния обмотки статора двигателя,23-индуктивноеx 2M  2f1M L 2M-индуктивноеsM сопротивлениерассеянияротора,скольжениедвигателя2f1M   M.2f1MЭлектромагнитный момент генератора определяется как r' mpGU G 2  2G  sG MG 2 f1G2r'2G   .2  x 1G  x' 2G    r1G  sG  Здесь и далее индекс М относит величину к двигателю, индекс G – кгенератору.В работах Рапопорта О.Л.

и Бейерлейна Е.В. рассмотрено моделированиеэлектромеханических процессов в системе испытаний асинхронный двигатель –асинхронный генератор методом взаимной нагрузки на основе стандартных, ноне связанных схем замещения асинхронных машин, без взаимной увязкипроцессов в генераторе и двигателе, учета насыщения, изменения параметровобмоток машин с изменением режима работы, несинусоидальности питающегодвигатель напряжения от ПЧ. В то же время для машин в составе агрегата собщим валом электромеханические процессы в отдельных машинах будутвзаимосвязанными, такКорректноекак моменты машин намоделированиеобъединенныхобщимэлектромеханическихвалом,машинахвалу взаимосвязаны.процессовзатрудненовобеих,усложненнымматематическим описанием одновременно для обеих машин, возможнымразным уровнем насыщения магнитной цепи разных машин, наличиемуравнения взаимосвязи моментов машин, необходимостью одновременногоучета изменения параметров обмоток обеих машин при изменении режимовработы агрегата, работой одной машины от ПЧ с несинусоидальностьювыходного напряжения, а другой машины - на сеть синусоидальногонапряжения.Такой уточненный анализ может проводиться методами математическогомоделированиянаразличномуровне24–спомощьюдинамическихматематических моделей, основанных на использовании взаимоувязанныхцепных и/или полевых моделей.Насегодняшниймоментдажеприразвитойтеоретическойипрактической базе для моделирования и исследования электромеханическихпроцессов в асинхронных машинах [1, 11, 21, 23, 25, 39, 45, 51, 107, 108, 113,117] моделирование процессов в них и в агрегатах, состоящих из них, зачастуюпроводится в моделях, основанных на теории цепей, определенных вортогональных координатах – двух физических осях [37, 59].Математическое описание электромеханического преобразования энергиив асинхронных машинах, изложенное на сегодняшний момент во многихработах, позволяет с достаточной полнотой рассмотреть процессы в этихмашинах.

В общей теории электрических машин доказано, что совокупностьвзаимноперемещающихсяэлектрическихцепей,которойможетбытьпредставлена асинхронная машина, может быть заменена эквивалентнымистатическими цепями с фиксированными сосредоточенными параметрами, канализу которых применимы известные методы теоретический электротехники[52, 57, 59]. Положения общей теории распространяются на электрическиемашины всех типов.Симметричная многофазная многополюсная электрическая машина чащевсего приводится к эквивалентной двухфазной в различных координатныхсистемах, связанных с сердечником статора (αβ), ротора (dq) или полем статора(uv) [37].