Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. Книга 1

Подождите немного. Документ загружается.

421

годограф характеристического уравнения ВД смешанного

возбуждения

Рис. 8.16. Годографы характеристических полиíомов





L j



для íо-

миíальíого режима устойчивых двигателей (







1 5,

 0

) с различíым исполíеíием успокоительíой обмотки (УО)

(ослаблеííая



, типовая - - - - - , усилеííая



)

с ослабленной УО более удален от начала координат по

сравнению с годографом аналогичных ВД, имеющих типо-

вую и усиленную УО. Это указывает на то, что уменьшение

постоянной времени УО повышает степень устойчивости ВД.

Неблагоприятное действие УО на устойчивость ВД смешан-

ного возбуждения объясняется демпфированием потока его

последовательной обмотки возбуждения. Такой же эффект

получается и при размыкании независимой обмотки возбуж-

дения для свободных токов (включение ее в цепь источника

тока).

Выводы

1. При анализе статической устойчивости ВД, выполнен-

ного на основе синхронной машины и инвертора тока, при-

422

ближенные методы исследования устойчивости синхронных

машин, основанные на построении годографа частной харак-

теристики момента или на определении знаков коэффициен-

тов синхронизирующего и асинхронного моментов практиче-

ски непригодны. Целесообразно анализировать либо непо-

средственно матрицу коэффициентов 

линеаризованных

однородных дифференциальных уравнений в форме Коши,

либо характеристическое уравнение ВД, используя соответ-

ственно матричные или алгебраические и частотные крите-

рии устойчивости.

2. При установившихся вынужденных периодических ка-

чаниях ротора амплитуды качаний частот вращения ротора и

выходного напряжения инвертора близки друг к другу.

3. Короткозамкнутые обмотки, расположенные на полю-

сах индуктора, оказывают слабое влияние на режим устано-

вившихся качаний ротора. Однако их влияние на статиче-

скую устойчивость ВД необходимо учитывать.

423

Г л а в а д е в я т а я

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОТЕРИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МА-

ШИНЕ ПРИ РАБОТЕ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ

9.1. Общие замечания

Современные электроустановки отличает широкое ис-

пользование полупроводниковых вентильных элементов,

функциональные и преобразовательные устройства на основе

которых обеспечивают эффективное формирование требуе-

мых технико-экономических характеристик. Однако специ-

фика рабочих свойств вентильных устройств оказывает и не-

гативное влияние на энергетические, а также и функцио-

нальные показатели электрических машин (ЭМ), работаю-

щих в этих установках. Нелинейность вольт-амперных харак-

теристик вентилей вызывает появление сопутствующих гар-

моник токов и напряжений. В большинстве случаев ЭМ пе-

ременного и постоянного тока рассчитываются на стадии

проектирования на режим соответственно синусоидального

или беспульсационного изменения якорных токов и напря-

жений. Вместе с тем все большее распространение получают

также ЭМ, специально предназначенные для совместной ра-

боты с преобразователями частоты, у которых электромаг-

нитные процессы имеют периодический несинусоидальный

характер (вентильные электрические машины, асинхронные

двигатели для частотно-регулируемых приводов и др.). Для

оценки рабочих свойств как этих машин, так и предыдущих

необходим количественный анализ дополнительных явлений,

обусловленных наличием сопутствующих гармоник перемен-

ных.

Как известно, аналитические и численные расчеты элек-

тромагнитных процессов в ЭМ из-за нелинейных свойств

магнито- и электропроводящей активной среды, ее сложного

пространственного распределения отличаются большой тру-

доемкостью, и их достоверность может быть принципиально

недостаточно высокой. Существенное увеличение надежно-

сти расчетов может достигаться использованием в массиве

424

исходных данных частотных свойств реальных ЭМ и аппара-

та частотных характеристик.

9.2. Классические методы расчета дополнительных явле-

ний

При анализе режимов ЭМ с несинусоидальным питанием

обычно используют методы разложения периодических кри-

вых рабочих величин в тригонометрические ряды Фурье [74,

103, 206]. Возможны два принципиальных подхода к такому

разложению. В первом из них форму периодической кривой

выходной величины статического преобразователя частоты

(ПЧ) полагают известной, в том числе с учетом ее коммута-

ционных особенностей и влияния сглаживающего фильтра

(считают, например, заданной форму выходного напряжения

(тока) в инверторах напряжения (тока)). Указанный учет тре-

бует знания только сверхпереходных параметров источника

питания и нагрузки ПЧ. Второй подход предполагает расчет

с необходимой точностью периодических кривых входа и вы-

хода ПЧ на основе его математического моделирования ана-

литическими или численными средствами. При этом частот-

но-зависимые параметры роторных обмоток вычисляются на

частоте основной из высших гармонических. На следующих

этапах расчета существенных различий между этими подхо-

дами нет: определяются конечный ряд гармонических со-

ставляющих рабочих величин, параметры обмоток и элек-

тропроводящих стальных участков магнитной цепи с учетом

эффекта вытеснения тока для каждой гармонической. До-

полнительные потери в проводниках и стали сердечников

находятся раздельно для каждой гармоники. Мгновенные

значения электромагнитного момента вычисляются по из-

вестным величинам потокосцеплений и токов обмоток, взя-

тых в виде частичных сумм тригонометрических рядов.

Одним из достоинств классического метода следует назвать

возможность выявления потерь по каждой выделенной ветви

токораспределения, например, в конкретном стержне, пере-

мычке короткозамкнутой обмотки и т.д. Существенным же его

недостатком, кроме обязательного разложения периодических

425

кривых в ряды, является необходимость представления в анали-

тической форме сопротивлений и индуктивностей указанных

ветвей в функции частоты [122].

При расчете дополнительных потерь и явлений в вен-

тильных машинах (ВМ) классическим методом будем ис-

пользовать два типа их математических моделей. В первой

модели демпферная обмотка ВМ представлена двумя эквива-

лентными контурами, во второй — используются «точные»

схемы замещения синхронной машины, учитывающие ре-

альные контуры демпферной обмотки [28] (см. параграф 3.5).

В обеих моделях ПЧ рассматривается как устройство с неиз-

менной топологической структурой.

9.3. Расчет дополнительных явлений на основе схем заме-

щения с частотно-независимыми параметрами

ЭМ могут представляться схемами замещения, параметры

которых не зависят от частоты протекающих по ним токов.

Синтез этих параметров рассмотрен в главе 4.

При расчете основных и дополнительных потерь в стали

ЭМ целесообразно использовать, как показано в параграфе

6.2.3, дополнительные схемы замещения с частотно-

независимыми параметрами, учитывающими свойства элек-

тропроводящих контуров стали. Цепи этих схем, взятых в

координатах

, включаются параллельно индуктивности

взаимоиндукции обмоток.

Схемы замещения ЭМ с частотно-независимыми пара-

метрами положены в основу третьей математической модели

вентильных машин, в которой полупроводниковые элемен-

ты, как и в первых двух моделях, представлены нелинейны-

ми резисторами, шунтированными

r — C

ветвями.

Исходные схемы замещения вышеназванных моделей яв-

ляются электрическими цепями неизменной топологии, ре-

жимы которых вычисляются на ЦВМ методом переменных

состояния (см. главу 6).

Расчет основных и дополнительных явлений ЭМ предпо-

лагает в частности, согласно третьей модели, вычисление

мгновенных и действующих значений токов ветвей ее схемы

426

замещения, согласно первой и второй модели, вычисление

мгновенных значений токов и напряжений обмоток и их

спектрального состава для квазиустановившегося режима.

Следует заметить, что третья модель является наиболее

универсальной, так как ее использование не накладывает

ограничений на вид исследуемых переходных процессов.

Применение первых двух моделей может быть обосновано

только для установившегося (квазистационарного) режима.

9.4. Опытные исследования и численная реализация

математических моделей

Расчетные и опытные значения суммарных потерь в ро-

торе (в обмотках возбуждения, успокоительной (УО) и в ста-

ли) вентильного двигателя (ВД), выполненного на базе син-

хронной машины СД—102—8 при номинальной токовой на-

грузке обмоток якоря (с cos 

0 9 , , опережающим) и воз-

буждения приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Показатели Потери в роторе, Вт

Тип преобразователя Инвертор тока НПЧ

Частота вращения, о.е. 0,12

0,4 0,5 1,0 0,1 0,4

Математические 1 - 79 90 186 - -

модели вентильного 2 90 - - 255 94 127

двигателя 3 71 89 104 167 - -

Опыт 78 - 111 170 - 143

Методика расчетного определения добавочных потерь в актив-

ных частях вентильной машины, базирующаяся на идеях классиче-

ского метода и «точных» схемах замещения синхронной машины,

изложена в [13]. При использовании схем замещения ЭМ с час-

тотно-независимыми параметрами (математическая модель 3) рас-

чет потерь особенно прост: находятся действующие значения токов

всех ветвей схемы замещения, а по ним, при известных величинах

активных сопротивлений ветвей, — потери в этих ветвях. Модель 3

не требует вычисления коэффициентов вытеснения токов обмоток

для высших гармонических.

427

Опытные значе-

ния потерь в про-

водниках получены

по результатам из-

мерения токов в

стержнях и пере-

мычках УО и в об-

мотке возбуждения.

На шести стержнях

и межполюсной пе-

ремычке УО были

установлены изме-

рительные пояски

Роговского, ЭДС

которых подавались

через контактный

токосъемник на ин-

тегрирующие опера-

ционные усилители.

Выходные напряже-

ния интеграторов

являлись в извест-

ном масштабе тока-

ми элементов УО.

Указанные токи

шести стержней (

)

и межполюсной пе-

ремычки (

пп

) ВД с

непосредственным

преобразователем

частоты (НПЧ) представлены на осциллограмме рис. 9.1.

Там же приведены кривые тока возбуждения, напряжения и

тока фазы якоря. Для контроля точности измерений токов

УО на осциллограмме зафиксирована также кривая полусум-

мы токов стержней (

с

), которая близка к кривой тока пе-

ремычки (

пп

). Теоретически токи

с

пп

должны быть

одинаковы.

Рис. 9.1. Опытные осциллограммы фазно-

го напряжения и токов в обмотках вен-

тильного двигателя с непосредственным

преобразователем частоты (



300

об/мин, I I

1 1

 

141

А, I I

в вн

  87,5

А,

cos 

 0,9

(опережающий)).

428

Распределение тока по стержням УО показывает кривая 1

(рис. 9.2, а).

Рис. 9.2. Токи и добавочные потери в успокоительной обмотке

Здесь же на кривой 2 отмечены значения токов стержней

основной (шестой) гармоники.

Найденные экспериментально токи раскладывались в ря-

ды Фурье. Потери в элементах УО и в обмотке возбуждения

находились раздельно для каждой гармоники.

Аналогично определялась опытная зависимость добавоч-

ных потерь в роторе этой же машины в функции тока якоря

для ВД с другим типом преобразователя частоты — инверто-

ром тока (рис. 9.2, б).

Сравнительные тепловые испытания общепромышленно-

го синхронного двигателя СД—102—8 (паспортная мощность

75 кВт) в естественном режиме и в режиме ВД производи-

лись с помощью двадцати термопар, восемь из которых рас-

полагались на поверхности полюса в центральной попереч-

ной плоскости (на каждом стержне, на центральном и пред-

последнем зубцах), три  в центральной продольной плоско-

сти (две  на среднем зубце, одна  на короткозамыкающей

перемычке УО), шесть  на крайних и среднем витках об-

мотки возбуждения (ОВ) (три  в торцевой части, остальные

429

 в центре боковой поверхности обмотки), три  в симмет-

ричных точках на поверхности статорных зубцов, распо-

ложенных под углом

120



В естественном режиме с сетевым питанием (частота вра-

щения 750 об/мин) двигатель охлаждался собственным цен-

тробежным вентилятором, в режиме ВД с НПЧ (частота вра-

щения 300 об/мин) была организована принудительная вен-

тиляция, при снятом собственном вентиляторе с тем же сум-

марным расходом воздуха, что и в естественном режиме. В

обоих режимах вместо собственного электромашинного воз-

будителя использовался управляемый статический выпрями-

тель.

Тепловые испытания показали, что максимальная темпе-

ратура измеряемых точек ОВ увеличилась в режиме ВД по

сравнению с естественным режимом в 196 120 1 63   , раза.

Средние нагревы возросли: ОВ в 178 107 1 66   , , полюсных

наконечников и стержней УО в 129 92 1 4   , ; наружной по-

верхности зубцов статора в 53 3 48 7 1 09, , ,   ; обмотки статора

в 93 5 74 2 1 26, , ,   раза.

При использовании общепромышленного синхронного

двигателя рассмотренного типа в режиме ВД с НПЧ для

обеспечения нормальных тепловых условий изоляции обмо-

ток необходима их разгрузка по току: ОВ в 1,25, обмотки

якоря  в 1,15 раза.

Данные табл. 9.1 показывают, что расчет добавочных по-

терь с помощью частотно-независимых параметров ЭМ (ма-

тематическая модель 3) обеспечивает не худшее, по сравне-

нию с классическими методами, приближение к опыту. Оче-

видно, использование этих параметров при расчете не квази-

стационарных переходных процессов — наиболее доступный

для вычислительной практики настоящего времени способ

учета нелинейных свойств электро- и магнитопроводящих

материалов ЭМ.

Математическая модель 3 ВД с постоянными магнитами

типа СДПМ 100

8У4, некоторые параметры которого приве-

дены в табл. 4.4, позволила (по результатам серии численных

430

пусков модели с выходом на установившийся режим ) уста-

новить зависимость потерь в стали статора ( П

) и ротора

(П

) от несущей частоты широтно-импульсного регулирова-

ния преобразователя (табл. 6.2).

Выводы

1. Основой для адекватного расчета дополнительных яв-

лений, обусловленных совместной работой электрической

машины с преобразователем частоты, является аппарат час-

тотно-независимых параметров, эквивалентирующих нели-

нейные частотные свойства обмоток или их отдельных со-

ставных элементов в собственных полях рассеяния.

2. Классический метод расчета дополнительных явлений,

основанный на использовании в аналитической форме час-

тотных свойств электромагнитных параметров, связанных с

полями рассеяния обмоток, может быть задействован (в рам-

ках сервисной программы) только после вычисления устано-

вившегося режима математической модели вентильной ма-

шины, базирующейся на теории цепей с частотно-

линейными параметрами (либо с частотно-независимыми,

либо с аналитически вычисленными для частоты основной

из высших гармонических установившегося режима).