В современной электроэнергетике почти повсеместно переменный ток вытесняет постоянный. Это объясняется многими преимуществами машин переменного тока в сравнении с машинами постоянного тока. В частности, у машин переменного тока вес, габариты и стоимость меньше, а к. п. д. выше; они проще в обслуживании, долговечнее и надежнее машин постоянного тока. Правда, электродвигатели переменного тока хуже поддаются регулировке, они развивают значительно меньшие пусковые моменты. Поэтому, если от электродвигателей требуются высокие регулировочные качества и повышенные пусковые моменты, применяют электродвигатели постоянного тока.
Предлагается гибридный метод поиска для определения четырех значений параметров из измерений тока, коэффициента мощности и скорости. Полная модель рассчитывается посредством итерационной процедуры, предполагая типичное распределение потерь при номинальном состоянии и через аналитическое и прямой метод для получения кривых крутящего момента, тока и эффективности, который применяется к большому числу двигателей.
Оценка значений параметров из данных каталога. На паспортной табличке, прикрепленной к аппарату, сообщаются только номинальная мощность, напряжение, частота, полный заряд и пусковой ток, эффективность полной нагрузки, коэффициент мощности и скорость. Некоторые из методов, приведенных в предыдущем разделе, позволяют определять значения эквивалентных параметров схемы из данных каталога. Другие, хотя первоначально были задуманы для применения в полевых условиях, могут быть преобразованы для этого приложения, используя данные каталога в качестве замены измеренных данных.
Привод механизмов портовых подъемно-транспортных машин чаще всего осуществляется асинхронными электродвигателями трехфазного переменного тока, получившими наибольшее распространение в электроэнергетике. Зависимости от исполнения ротора, различают асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором (с контактными кольцами). Принципиальная схема включения этих электродвигателей приведена на рис. 40..
Основные методы описаны следующим образом. Конечной целью является расчет кривых крутящего момента и тока от двигателя до синхронной скорости. Типовой метод эквивалентной схемы. В докладе Национальной лаборатории Оук-Ридж, представленном в нем, даются оценки методов оценки эффективности полетов и делятся на три группы в соответствии с уровнем вторжения.
Пренебрегают потерями трения, ветров и потерь при прохождении, а остальные потери считаются либо постоянными, либо пропорциональными квадрату выходной мощности, как указано. Величина и фаза тока ротора при полной нагрузке задаются соответственно и, соответственно.
Из курса электротехники известно, что принцип действия асинхронных электродвигателей основан на использовании так называемого вращающегося магнитного поля. При подаче трехфазного тока в обмотке статора создается магнитное поле, вращающееся со скоростью
где f - частота тока в обмотке статора;
р - число пар полюсов обмотки статора.
Сопротивление статора измеряется непосредственно. Оставшиеся параметры схемы определяются цифровым алгоритмом оптимизации, который минимизирует сумму квадратов отклонений между рассчитанными и измеренными данными. Реальная и мнимая части эквивалентного импеданса вычисляются по измеренным напряжениям и токовым фазорам при двух уровнях нагрузки, что дает четыре уравнения.
Алгоритм состоит из двух этапов. Затем локальный метод поиска дополнительно уточняет предыдущее решение. Сопротивление статора измеряется напрямую, в то время как отношение сопротивлений утечки фиксировано. Используя измеренные значения тока, коэффициента мощности и скорости, остальные параметры определяются гибридным алгоритмом, который минимизирует сумму квадратов отклонений величины и угла тока.
Эта скорость называется синхронной . Магнитное поле статора, (пересекая обмотку ротора, наводит в ней э. д. с., которая создает в цепи ротора ток. Последний, взаимодействуя с магнитным полем статора, образует вращающий момент, заставляющий ротор вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле статора. При нормальной работе асинхронного электродвигателя его ротор вращается со скоростью п 2 <п 1 . Если бы скорость вращения ротора была равна скорости, с которой вращается магнитное поле статора, то последнее относительно ротора было бы неподвижным. В этом случае э. д. с. и ток в обмотке ротора были бы равны нулю и никакого вращающего момента не возникло бы.
Автор указывает, что принятая пропорция в распределении постоянных потерь между механическим и центральным компонентами оказывает небольшое влияние на отклонение эффективности при условии, что общая величина постоянных потерь правильна. Типичное значение 14% от общих потерь при полной нагрузке связано с трением и ветром, а 12% связано с потерями ядра.
Остальные параметры оцениваются с помощью итеративной процедуры. Для обоих уравнений скольжение при частичных нагрузках оценивается. Альтернативные выражения предоставляют значения сопротивления только из данных паспортной таблички. После применения метода к большому числу двигателей авторы представляют регрессии значений единичных параметров по сравнению с номинальной выходной мощностью.
Величиной, характеризующей работу асинхронного электродвигателя, является скольжение s :
где n 1 -синхронная скорость;
n 2 - скорость вращения ротора.
Зная скольжение, нетрудно определить скорость вращения электродвигателя
Сравнение аналитических методов. Эти методы также имеют общую цель оценки эффективности. В этом разделе шесть методов применяются к набору реальных двигателей, чтобы сравнить их характеристики. Методы оцениваются по двум критериям: надежность и точность. Первый соответствует отсутствию абсурдных результатов в рамках многочисленных исполнений, таких как отрицательные значения для сопротивлений или мощности. Устойчивый метод не потребует частых вмешательств пользователя, чтобы преодолеть возможные расхождения, что подходит для многочисленных последовательных исполнений.
При работе электродвигателя без нагрузки скорость его близка к синхронной, а скольжение очень мало.
Двигательный режим асинхронного электродвигателя имеет место при скольжениях, изменяющихся в пределах от 0 до 1, при этом число оборотов ротора изменяется от n 1 до 0. Номинальная величина скольжения асинхронного электродвигателя составляет 0,03-0,1, причем первая цифра относится к более мощным, а вторая - к менее мощным электродвигателям (до 10-20 квт ).
Каждый метод был проверен на надежность при применении к 200 низковольтным двигателям с номинальной мощностью в диапазоне от 1 до 650 л.с. данные которых были получены с веб-сайта производителя. Анализируя полученные на единицу значения параметров, имея номинальную выходную мощность и линейное напряжение в качестве базовых значений, наблюдалось, если значения сформировали четкое значение и имели отрицательные значения параметров.
Второй критерий, связанный с точностью, заключается в наблюдении за близостью полученных значений к опорным значениям. Чтобы избежать ошибок из-за неточности в информации о каталоге, эти данные пяти двигателей с номинальной мощностью от 5 до 75 кВт были смоделированы с использованием параметров схемы, полученных из стандартных испытаний, что отражает точно модель. Вычисляется и сравнивается отклонение между результирующими параметрами и его опорными значениями.
Очевидно, s = 0 в том случае, когда ротор вращается с синхронной скоростью n 1 . Можно считать, что на холостом ходу электродвигателя его ротор вращается с этой скоростью, если не учитывается трение.
Величина скольжения s =1, когда ротор электродвигателя не вращается при включенной обмотке статора. Этот режим называют режимом короткого замыкания электродвигателя (или режимом стоянки под током). Получить режим короткого замыкания можно, искусственно затормозив ротор или перегрузив электродвигатель до полной остановки его. Пуск асинхронного электродвигателя также начинается именно с этого режима.
Для представления значений единичных параметров схемы, полученных в результате метода Хака, с учетом номинальной выходной мощности каждого двигателя и линейного напряжения в качестве базовых значений. Результирующие значения соответствуют четко определенной схеме относительно номинальной мощности, такой же, как и в других методы с несколькими исключениями и различными максимальными и минимальными значениями. Представлены максимальный и минимальный значения для каждого параметра для каждого метода для каждого метода, а также количество расхождений.
Выражение (81) показывает, что скольжение может изменяться гораздо в больших пределах, чем указано выше. Действительно, ротор электродвигателя под действием постороннего источника механической энергии (например, под действием опускающегося груза) может вращаться со скоростью больше синхронной. В этом случае скольжение будет отрицательным (s <0). Отрицательное скольжение имеет место при работе асинхронного электродвигателя в генераторном режиме, когда, например, под действием опускающегося груза ротор вращается в ту же сторону, что и магнитное поле статора со скоростью n 2 >n 1 .
Как можно видеть из выделенных ячеек в большинстве способов, представленных, по меньшей мере, одну дивергенцию, то есть один абсурдный результат, такой как отрицательное, сложное или аномально высокое значение. Из методов, которые дают все параметры схемы, метод Хэка показал наилучшую производительность, поскольку он привел лишь к одному возникновению реактивного сопротивления утечки.
Процентное отклонение между полученными и опорными значениями представлено для каждого из пяти двигателей и шести методов. Обобщает результаты этого теста, указывая для каждого параметра среднее процентное отклонение для пяти проанализированных моторов, а также среднее отклонение всех параметров для каждого метода. Выделенные ячейки относятся к наименьшим средним отклонениям, полученным при каждом параметре.
Можно также представить, что ротор электродвигателя под действием опускающегося груза вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора. В этом случае s >1, так как в выражение (81) величину п 2 нужно подставить с отрицательным знаком. Такой режим называется режимом противовключения.
Рис. 18 Кривые тока двигателя. Из обзора литературы было отмечено, что различные схемы используются для моделирования работы трехфазного асинхронного двигателя в соответствии с желаемым применением. Для расчетов в нормальном рабочем диапазоне, то есть от максимального момента до состояния без нагрузки, модель одиночной клетки обеспечивает достаточную точность. Если расчеты, включающие начальное условие, желательны, модель одиночной клетки с постоянными параметрами может не обеспечивать достаточной точности, и для повышения точности рассматриваются двойные клетки или переменные параметры.
Таким образом, теоретически скольжение асинхронного электродвигателя может изменяться в пределах от -? до + ?. Практически же скольжение асинхронного электродвигателя при работе последнего в двигательном и тормозных режима« изменяется в пределах от -2 до +2.
Из курса электрических машин известно, что для асинхронного электродвигателя может быть составлена схема замещения, с помощью которой производится анализ работы электродвигателя и исследуются режимы его работы. На рис. 41 приведена упрощенная схема замещения асинхронного электродвигателя, в которой приняты следующие обозначения:
Альтернативные методы расчета значений параметров в основном основаны на аналитическом расчете, итеративных расчетах или методах численной оптимизации, таких как Ньютон, генетические алгоритмы, оптимизация частиц или имитированный отжиг. В расчетах могут использоваться данные изготовителя, простые полевые измерения или подробные данные лабораторных испытаний.
Одним из преимуществ аналитических методов является их простота и скорость, поскольку они не требуют использования сложных или медленных алгоритмов. С другой стороны, в результатах испытаний наблюдалась недостаточная устойчивость. Из шести проверенных методов пять представили по крайней мере одно расхождение во время испытания на устойчивость с каталогом из 200 двигателей. Оставшийся метод предоставляет только значения для двух параметров.
U 1 - фазное напряжение обмотки статора, в ;
I 1 - фазный ток обмотки статора, а ;
I 0 - фазный ток холостого хода электродвигателя, а ;
I 2 - приведенный фазный ток обмотки ротора, а ;
r 1 и х 1 - активное и индуктивное сопротивления фазы обмотки статора, ом ;
Однако ни один из методов не имел сходной производительности при расчете реактивности на утечку. Оценка постоянных потерь по типичным процентам от общих потерь, используемых в методе Ли, привела к небольшим отклонениям. Тем не менее, эти фиксированные проценты могут быть непригодными для других двигателей с различными характеристиками. Объединив сильные точки каждого метода с точки зрения надежности и точности, был предложен и оценен новый метод. Улучшения наблюдались в отношении точности идентифицированных значений параметров и результирующих кривых, а также в надежности нового метода, поскольку он не имел никаких неисправностей в течение 200 прогонов с различными двигателями.
r 2 ’ и х 2 ‘ - приведенные активное и индуктивное сопротивления фазы обмотки ротора, ом .
Для приведенных величин могут быть выведены следующие соотношения:
где т 1 и т 2 - число фаз обмоток статора и ротора;
Дальнейшие испытания должны проводиться с моторами других производителей и характеристиками для оценки его производительности. Важно подчеркнуть, что данные каталога, используемые в тесте точности, были имитированы, что означает точное соответствие между параметрами схемы и данными каталога. Данные, предоставленные производителями, часто являются неточными, поскольку они относятся к целой группе двигателей, каждая из которых имеет случайные изменения в своих индивидуальных характеристиках. Допуски и усечение в предоставленных значениях могут также приводить к ошибкам в вычислениях.
к = U 1н / E 2н - коэффициент трансформации э. д. с. (U 1н - номинальное фазное напряжение обмотки статора; E 2н - фазная э. д. с. обмотки ротора при разомкнутых контактных кольцах).
Мощность Р 1 забираемая электродвигателем из сети, определяется напряжением сети U 1 , током статора I 1 зависящим от нагрузки, и коэффициентом мощности cos? т.е.
Ричардс, Идентификация параметров индукционной машины с использованием алгоритма генетической оптимизации, «Юго-Восточный». Тернер, «Идентификация параметров индукционной машины с использованием генетических алгоритмов», «Дизайн системы автоматизированного управления».
Сабхарвал, «Методология оценки эксплуатационных характеристик трехфазного асинхронного двигателя, работающего прямолинейно или с шестью импульсным инвертором», «Силовая электроника, приводы и энергетические системы». Прежде чем перейти к работе и характеристикам асинхронного двигателя с разделением фазы, мы должны сначала понять. К, мы должны каким-то образом создать вращающееся магнитное поле. Это может быть достигнуто путем преобразования однофазного питания в двухфазное питание за счет использования дополнительной обмотки.
Мощность на валу электродвигателя зависит от его к. п. д.? и может быть вычислена по формуле
Если пренебречь механическими и вентиляционными потерями, которые незначительны, то можно считать, что механическая мощность асинхронного электродвигателя (мощность на валу) равна, потерям мощности в сопротивлении
схемы замещения, приведенной на рис. 41, т. е.
Работа с асинхронным электродвигателем с разделением фазы
В асинхронном электродвигателе с раздельной фазой дополнительная обмотка известна как вспомогательная обмотка или пусковая обмотка. Конструктивные особенности асинхронных электродвигателей с разделением фазы хорошо объяснены ниже. Стартовая обмотка смещена на 90 ° от основной обмотки и работает только в течение короткого периода, когда двигатель запускается. Ниже описывается работа асинхронного электродвигателя с разделением фаз.
Характеристики асинхронного двигателя с разделительной фазой
Следовательно, создается слабое вращающееся поле, приближающееся к 2-фазной машине, которая запускает двигатель. Когда двигатель достигает около 75% синхронной скорости, центробежный выключатель открывает цепь пусковой обмотки. Затем двигатель работает как однофазный асинхронный двигатель и продолжает ускоряться до достижения нормальной скорости. Нормальная скорость двигателя ниже синхронной скорости и зависит от нагрузки на двигатель. Начальный крутящий момент определяется. . Важные характеристики асинхронного электродвигателя с разделением фазы приведены ниже.
где т 2 = т 1 - приведенное число фаз обмотки ротора.
Между токами асинхронного электродвигателя, согласно схеме замещения, существует зависимость
Ток статора асинхронных электродвигателей I 1 очень велик даже при отсутствии нагрузки на валу. Это объясняется тем, что намагничивающий ток этих электродвигателей составляет 50-70% номинального тока статора.
§ 92. РАБОТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОД НАГРУЗКОЙ
В рабочем режиме ротор двигателя вращается с числом оборотов в минуту n2, меньшим числа оборотов n1 магнитного поля статора, вращающегося в том же направлении, что и ротор. Поэтому магнитное поле, имеющее большую скорость, скользит относительно ротора с числом оборотов, равным разности чисел оборотов поля и ротора, т. е.
Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением S.
Скольжение представляет собой отношение числа оборотов магнитного поля статора относительно вращающегося ротора к числу оборотов поля статора в пространстве, т. е.
Эта формула определяет скольжение в относительных единицах. Скольжение может быть также выражено в процентах:
Если ротор неподвижен (n2=0), то скольжение равно единице или 100%.
Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, т. е. с одинаковой скоростью (n2=n1), то скольжение равно нулю.
Таким образом, чем больше скорость вращения ротора, тем меньше скольжение.
В рабочем режиме асинхронного двигателя скольжение мало. У современных асинхронных двигателей скольжение при полной нагрузке составляет 3-5%, т. е. ротор вращается с числом оборотов, незначительно отличающимся от числа оборотов магнитного поля статора.
При холостом ходе, т. е. при отсутствии нагрузки на валу, скольжение ничтожно мало и может быть принято равным нулю.
Скорость вращения ротора можно определить из следующих соотношений:
Двигатель будет работать устойчиво с постоянной скоростью вращения ротора при равновесии моментов, т. е. если вращающий момент двигателя Мвр будет равен тормозному моменту на валу двигателя Мтор, который развивает приемник механической энергии, например, резец токарного станка. Следовательно, можно записать:
Любой нагрузке машины соответствует определенное число оборотов ротора т2 и определенное скольжение S.
Магнитное поле статора вращается относительно ротора с числом оборотов n8 и индуктирует в его обмотке э. д. с. Е2, под действием которой по замкнутой обмотке ротора протекает ток силой I2.
Если нагрузка на валу машины увеличилась, т. е. возрос тормозной момент, то равновесие моментов будет нарушено, так как тормозной момент окажется больше вращающего. Это приведет к уменьшению скорости вращения ротора, а следовательно, к увеличению скольжения. С увеличением скольжения магнитное поле статора будет пересекать проводники обмотки ротора чаще, э. д. с. E2, индуктированная в обмотке ротора возрастет, а в силу этого увеличится как сила тока в роторе, так и развиваемый двигателем вращающий момент. Увеличение скольжения и силы тока в ротор; будет происходить до значений, при которых вновь наступит равновесие моментов, т. е. вращающий момент станет равным тормозному.
Так же протекает процесс изменения числа оборотов ротора и развиваемого момента при уменьшении нагрузки двигателя, С уменьшением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится меньше вращающего, что приводит к увеличению скорости вращения ротора или к уменьшению скольжения. В результате уменьшаются э.д. с. и сила тока в обмотке ротора, а следовательно, и вращающий момент, который вновь становится равным тормозному моменту.
Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ней э.д. с. Е1 которая уравновешивает приложенное напряжение сети U1.
Если пренебречь падением напряжения в сопротивлении обмотки статора, которое мало по сравнению с э.д.с, то между абсолютными значениями приложенного напряжения и э. д. с. обмотки статора можно допустить приближенное равенство, т. е.
Таким образом, при неизменном напряжении сети будет неизменна и э.д.с. обмотки статора. Следовательно, магнитный поток в воздушном зазоре машины, так же как в трансформаторе, при любом изменении нагрузки остается постоянным.
Ток обмотки ротора создает свое магнитное поле, которое направлено навстречу магнитному полю, образуемому током обмотки статора. Чтобы результирующий магнитный поток в машине оставался неизмененным при любом изменении нагрузки двигателя, размагничивающее магнитное поле обмотки ротора должно быть уравновешено магнитным полем обмотки статора. Поэтому при увеличении силы тока в обмотке ротора увеличивается и сила тока в обмотке статора.
Таким образом, работа асинхронного двигателя принципиально подобна работе трансформатора, у которого при увеличении тока во вторичной обмотке увеличивается ток в первичной обмотке.