Диссертация (792817), страница 6
Текст из файла (страница 6)
При этом напряжение на асинхронном двигателе изменялось в соответствии с законом U / f const . За счет дополнительных потерь от высшихгармоник при питании от полупроводниковых преобразователей частоты в номинальном режиме работы асинхронного двигателя (fном = 50 Гц) суммарныепотери энергии возрастают на 35...55%.Определено, что несинусоидальность напряжения источника энергии значительно уменьшает КПД асинхронного двигателя и увеличивает его нагрев[42, 91].32В результате проведенного анализа характеристик 1 и 3 рисунка 1.9 установлено, что при частотном управлении асинхронным двигателем с вентиляторной нагрузкой и питании его от синхронного генератора с уменьшениемчастоты КПД асинхронного двигателя снижается в большей степени, чем припостоянном моменте сопротивления. Это связано с тем, что при частотномуправлении по закону U / f const уменьшение частоты напряжения источника энергии приводит к тому, что потери в асинхронном двигателе уменьшаются в меньшей степени, чем полезная мощность на валу при вентиляторнойнагрузке по сравнению с асинхронным двигателем, работающем при постоянном моменте сопротивления.Наибольшее распространение в электроприводах с фазовым и частотнымуправлениями нашли асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.η – КПД электропривода, n, nном – текущая и номинальная частоты вращениявала ротора, 1 – электропривод с тиристорным преобразователем в цепи обмотки статора; 2 – частотно-управляемый электропривод с преобразователемчастоты инверторного типаРисунок 1.10 – КПД электроприводовНа рисунке 1.10 изображены зависимости КПД различных видов управляемых электроприводов от частоты вращения в установившихся режимах работы.
В таблице 1.3 приведены интегральные показатели качества, основнымииз которых являются удельный вес кг/кВт и удельная стоимость тыс.р./кВт.33Таблица 1.3Показатели качества электроприводовИнтегральный показатель качестваУдельный вес, кг / кВтУдельная стоимость, тыс.р. / кВт1214…1710…116…83…4Использование фазной обмотки вместе с внешними сопротивлениями сцелью увеличения активного сопротивления обмотки ротора позволяет улучшить регулировочные характеристики асинхронного электродвигателя [113].Анализ конструктивных решений и технических характеристик электроприводов содержащих асинхронный двигатель вспомогательных агрегатов тягового подвижного состава как отечественного, так и импортного производства позволил сделать вывод о том, что все применяемые в настоящее времявиды управляемых электроприводов, в состав которых входят асинхронныедвигатели, обладают совокупностью недостатков, затрудняющих их применение на локомотивах.
Одним из возможных вариантов электропривода вентилятора охлаждения является плавно управляемый электропривод с асинхронным двигателем, имеющим преобразователь частоты. Такое решение позволяет улучшить технико-экономические характеристики электропривода: повысить его надежность, минимизировать удельные затраты на функционирование вспомогательных систем, снизить стоимость, улучшить показатели качества работы АСУТ в которых будет применяться этот электропривод.1.6 Постановка задач исследованияВ настоящее время в эксплуатируемом парке локомотивов (электровозови тепловозов) отсутствует управляемый привод вентиляторов охлаждения тяговых асинхронных двигателей.Анализ проведенных исследований показал, что в сравнении с позиционными системами управления, обладающими двумя и более ступенями, непре-34рывные системы обладают рядом неоспоримых преимуществ [52, 56].
Главным недостатком позиционных систем является то, что при релейном управлении затраты энергии на охлаждение оборудования значительно выше, чемпри непрерывном управлении (см. рисунок 1.7). Помимо этого, работа вентилятора в релейном режиме оказывает отрицательное воздействие на надежность элементов оборудования тепловоза, что объясняется колебательным характером изменения управляемой температуры, а значит и термических напряжений в них. Более того привод вентилятора охлаждения может испытыватьпериодические перегрузки в коммутационных режимах (при включении и отключении).Целью данной работы является разработка АСУТ ТАД тепловоза, содержащей частотно-управляемый электропривод вентилятора охлаждения какисполнительное устройство для плавного управления температурой в широком диапазоне.Для достижения поставленной в работе цели решены следующие задачи:– разработана математическая модель теплового состояния тягового асинхронного двигателя в стационарном и нестационарном режимах;– исследованы статические и динамические свойства тягового асинхронного двигателя как объекта управления температурой и частотно-управляемого электропривода вентилятора охлаждения как исполнительного устройства;– разработана и исследована автоматическая система управления температурой тягового асинхронного двигателя тепловоза, в которой примененэлектропривод вентилятора охлаждения с преобразователем частоты как исполнительное устройство;– синтезирован регулятор температуры, состоящий из изодромных звеньев и звеньев обратной связи, обеспечивающий требуемые значения крите-35риев качества переходного процесса разработанной системы управления температурой тягового асинхронного двигателя, а также ПИ-регулятор, обеспечивающий настройку системы на технический оптимум;– разработана и изготовлена физическая модель тягового асинхронногодвигателя, система охлаждения тягового асинхронного двигателя с возможностью реализации на ней экспериментальных исследований процессов нагревания и охлаждения;– проведен расчет технико-экономической эффективности примененияразработанной автоматической системы управления температурой на тепловозе.362Разработка математической модели тепловых процессов тяговогоасинхронного двигателя2.1 Анализ математических моделей тепловых процессов тяговогоасинхронного двигателяCогласно данным приведенным в работе [137] в процессе исследованиятепловых процессов двигателей можно использовать следующие методы контроля температуры: метод сопротивления, метод встроенных датчиков температуры, метод термометра.Метод сопротивления подразумевает использование зависимости сопротивления обмоток двигателя от температуры [137].
При этом проводится измерение средней температуры обмотки двигателя, как при снятом, так и приподанном напряжении. Главным недостатком такого метода являются существенные аппаратные затраты в случае двигателей, которые эксплуатируютсяпод напряжением.Необходимым условием использования второго метода встроенных датчиков температуры при определении температуры узлов электродвигателя является наличие встроенных датчиков температуры таких как термопары, термометры сопротивления, инфракрасные датчики температуры и т.д., например, в массиве обмотки статора двигателя [137]. Реализация данного технического решения представляется возможным только при изготовлении двигателя. При этом лишь небольшая часть из эксплуатирующихся в настоящеевремя двигателей имеют в своей конструкции такие датчики, что объясняетсяцелым рядом экономических и технических причин, связанных со стоимостью, трудностью установки датчиков и их эксплуатации.Использование третьего метода подразумевает регистрацию температурыповерхности двигателя [137].
Отсутствие информации о температуре его внутренних узлов является главным недостатком данного способа контроля температуры.В настоящее время с учетом развития микропроцессорных и цифровыхсистем большое распространение получил способ контроля температуры ТАД,37основанный на данных математической модели тепловых процессов, рассчитываемых на основе известных (измеряемых) электрических параметров, атакже конструктивных параметров двигателя.Выбор тепловой модели должен осуществляться на основе всестороннегоанализа условий эксплуатации асинхронного двигателя (АД). В современныхусловиях имеется необходимость развития тепловых моделей для анализа работы асинхронных электроприводов с частотным управлением.Математическому моделированию тепловых процессов, протекающих вэлектродвигателе, посвящено множество научных работ [3, 4, 12, 15, 16, 23,29, 35, 36 – 39, 51 – 53, 59, 64, 68, 78, 85 – 89, 100, 120, 122, 123, 128 – 130, 132– 135, 139 – 142].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
