Частотно-регулируемые асинхронные двигатели для экскаваторов

На правах рукописи

КАЧАЛИНА Елена Викторовна

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ

ЭКСКАВАТОРОВ

Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2010 г.

Работа выполнена на кафедре Электромеханики Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

БЕСПАЛОВ Виктор Яковлевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Мамедов Фуад Алиевич

- кандидат технических наук

Машкин Владимир Геннадьевич

Ведущее предприятие - ОАО "Рудоавтоматика"

Защита состоится 28 июня 2010 г.

в аудитории Е-205 в 15 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.157.15 в Московском энергетическом институте (техническом универси­тете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан " 27 " мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.157.15

канд. техн. наук, доцент Рябчицкий М.В.

общая характеристика работы

Актуальность темы. Эффективность и оптимальность режимов работы большинства механизмов во многом обеспечивается регулируемым электроприводом, поэтому создание простых, надежных и экономичных электроприводов, отвечающих современным технологическим и эксплуатационным условиям, является на сегодняшний день актуальной проблемой.

В настоящее время экскаваторы российских производителей эксплуатируется со сверхнормативным сроком службы поэтому необходимо проводить модернизацию оборудования главных электроприводов экскаватора.

Учитывая тяжелые условия эксплуатации экскаваторных электроприводов, в качестве системы электропривода переменного тока следует применять систему «Непосредственный преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (НПЧ-АД). НПЧ был разработан на кафедре АЭП МЭИ под руководством профессора Ключева В.И.. Данные преобразователи уже более пятнадцати лет успешно эксплуатируются на экскаваторах в качестве тиристорных возбудителей генераторов и хорошо себя зарекомендовали. Замена двигателей постоянного тока асинхронными двигателями, управляемыми с помощью непосредственных преобразователей частоты, позволит увеличить КПД системы электропривода, обеспечит энергосбережение и повысит эксплуатационные показатели, что в целом должно обеспечить экономический эффект. В настоящее время нет специальных асинхронных двигателей для главных электроприводов экскаватора, поэтому разработка таких машин является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка и исследование частотно-регулируемых асинхронных двигателей для главных электроприводов экскаватора.

Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:

1. Дать теоретическое обоснование замены двигателей постоянного тока на двигатели переменного тока, питаемые от преобразователя частоты.
2. Обосновать структуру управления экскаваторным электроприводом по системе НПЧ-АД, обеспечивающую выполнение совокупности технологических требований.
3. Разработать частотно-регулируемые асинхронные двигатели, которые можно встраивать в корпуса двигателей постоянного тока главных механизмов экскаватора.
4. Провести многовариантное проектирование таких асинхронных двигателей на различные числа фаз и питающие частоты.
5. Провести сравнение характеристик двухфазных и трехфазных двигателей с двухслойными и однослойными обмотками.
6. Провести теоретическое исследование механических и электрических нагрузок главных электроприводов карьерных экскаваторов в цикле экскавации.
7. Для исследования работоспособности и энергопотребления разработать имитационную модель экскаваторного частотно-регулируемого АД, и на её основе исследовать его статические и динамические характеристики на цикле экскавации.

Методы исследования. Исследования выполнялись с использованием базовых законов теоретических основ электротехники, с применением теории обобщенной электрической машины, методов проектирования и математического моделирования трехфазных и двухфазных АД.

Экспериментальные исследования выполнялись на разработанном и изготовленном макетном образце двухфазного двигателя для привода напора экскаватора, работающего от НПЧ.

Новые научные положения, выносимые на защиту.

1. Обобщены требования к экскаваторным частотно-регулируемым асинхронным двигателям.
2. На основании этих требований показана возможность применения двухфазных АД, в том числе с однослойными обмотками АД для главных электроприводов экскаватора, работающих по системе НПЧ-АД.
3. Создана имитационная модель двухфазного асинхронного двигателя.
4. Разработан вариант конструктивной модернизации главных электроприводов карьерного экскаватора ЭКГ-10 по системе НПЧ-АД.

Практическая ценность работы заключается в разработке экономичных, надежных АД, работающих по системе НПЧ-АД, полностью удовлетворяющих комплексу современных технологических и эксплуатационных требований к экскаваторным двигателям. Разработанная модель позволяет всесторонне исследовать процессы в главных электроприводах карьерных экскаваторов, выполненных на базе мощных двухфазных АД. Основные результаты диссертации используются ОАО «Рудоавтоматика» при разработке главных электроприводов экскаватора ЭКГ-5, ЭКГ-10 по системе НПЧ-АД.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XIII-ой и XV-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2007 г., 2009 г.); на III-ей международной научно-технической конференции “Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы ” (Екатеринбург УГТУ-УПИ, 2007); на XII-ой международной конференции “Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты” (Крым, 2008 г.); на VII-ой международной научно-технической конференции “Электроэнергетика и электротехника. Проблемы и перспективы” (Россия, сентябрь, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 97 наименований. Работа изложена на 170 страницах, содержит 55 рисунков и 20 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и конкретизированы основные задачи и способы их решения.

В первой главе проанализированы основные разработки и исследования в области экскаваторного электропривода. Сформулированы цели и задачи теоретического и практического исследований.

Представлено современное техническое состояние парка карьерных экскаваторов. На основании этого обобщен комплекс технологических и эксплуатационных требований к экскаваторным асинхронным двигателям. Обосновано использование НПЧ для главных электроприводов экскаватора. Показана необходимость разработки специальных асинхронных двигателей для главных электроприводов экскаваторов.

Объективная целесообразность использования системы НПЧ-АД в приложении к экскаваторному электроприводу диктуется следующими причинами:

- необходимостью снижения потерь энергии в цикле (высокий КПД системы НПЧ-АД за счет однократного преобразования электрической энергии);

- эффективностью энергопотребления, снижением затрат на электроэнергию (возможность свободного обмена энергией между двигателем и питающей сетью, рекуперация энергии в сеть без дополнительных устройств);

- обеспечением высокого качества регулирования в динамике, снижением износа механического оборудования (плавное регулирование амплитуды и частоты основной гармоники выходного напряжения);

- повышением надежности экскаваторного двигателя для уменьшения простоя экскаваторов в результате затрат времени на обслуживание щеточно-коллекторного узла двигателей постоянного тока.;

Исследованием системы НПЧ-АД для экскаваторного электропривода занимались ОАО «Электропривод», институт «Гипроуглеавтоматизация», группа экскаваторного электропривода кафедры АЭП МЭИ: Баранов Ю.М., Благодаров Д.А., Гаврилов М.П., Греков Э.Л., Кадыров И.М., Ключев В.И., Микитченко А.Я., Миронов Л.М., Полянинов Г.А., Попов В.А. Значительный вклад в развитие научных и экспериментальных исследований двухфазных асинхронных двигателей внесли Адаменко А.И., Алыкумов К.А., Беспалов В.Я., Иванов-Смоленский А.В., Касик П.Ю., Копылов И.П., Костраухас П.И., Лопухина Е.М., Мамедов Ф.А., Машкин В.Г., Меренков Д.В., Несговорова Е.В., Семенчуков Г.А., Синева Н.В., Торопцев Н.Д., Чечет Ю.С., Хрущев В.В., Юферов Ф.М.,. и др.

Однако в известных работах не рассматриваются особенности двухфазных двигателей больших мощностей, работающих от двухфазного преобразователя частоты. Поэтому разработка специальных экскаваторных АД является актуальной задачей.

Вторая глава посвящена описанию требований, предъявляемым к частотно-регулируемым АД.

Форма пазов ротора. Вследствие “мягкого” частотного пуска на роторе не требуются глубокие пазы (рис. 1). При проектировании таких двигателей не следует ставить задачу обеспечения высоких кратностей пускового момента, ибо они получаются автоматически в замкнутой системе регулирования. Управляя частотой и напряжением, можно регулировать не только скорость вращения, но и скольжение, т.е. минимизировать потери в роторе. А векторное управление позволяет поддерживать такую величину реактивной составляющей тока статора, при которой коэффициент мощности и КПД наибольшие. Большие широкие пазы (h/b <1.5 ) имеют на 15-25% меньшую индуктивность рассеяния. При разработке частотно-регулируемого АД для экскаватора используется трапецеидальный паз ротора с широким верхним основанием вблизи воздушного зазора для повышения электромагнитного использования. Ширина зубца ротора при этом остается примерно постоянной вдоль всей высоты паза.

1. Геометрия паза ротора

Скорость вращения производственного механизма nмех определяется частотой питания двигателя f, количеством его пар полюсов p и передаточным числом редуктора i.

nмех=60·f/i· p

Таким образом, требуемую nмех можно обеспечить при различных сочетаниях этих трех величин, которые выбираются на основании технико-экономических расчетов.

Охлаждение. Из-за низкой эффективности собственных вентиляторов при работе на малых частотах двигатели должны быть снабжены автономными вентиляторами-наездниками со своим автономным приводом. Это необходимо для охлаждения как активных частей, так и подшипников.

Перенапряжения. ШИМ – коммутация современных ПЧ вызывает волновые переходные процессы и импульсные перенапряжения в системе ПЧ-двигатель. Характер процессов и величина перенапряжений зависят от крутизны фронтов питающих импульсов, индуктивных и емкостных параметров системы. Неблагоприятная величина перенапряжений в обмотке статора достигает двойного значения амплитуды поступающих импульсов и даже больше. Для защиты от них надо не только использовать фильтры, но и усиливать изоляцию хотя бы начальных витков обмотки, правильно выбирать длину и конструкцию кабеля между ПЧ и двигателем, заземления.

Синусоидальность напряжения. Считается что преобразователь тем лучше, чем большую синусоидальность напряжения или тока он обеспечивает. Это требование идет от серийных двигателей, в конструкции которых предусматривается ряд мер, обеспечивающих синусоидальность поля в воздушном зазоре (распределение обмотки по пазам, укорочение ее шага и скос пазов, а в синхронных двигателях еще и профилирование полюсов).

В воздушном зазоре частотно-регулируемого двигателя переменного тока присутствуют гармоники поля: временные порядков k, пространственные порядков и их комбинации. Они вращаются со скоростями n.k=60·k·f/·p. При k= n.k=n1 и комбинационная гармоника может вращаться в направлении основной, добавляя свою составляющую в полезный момент.

Параллельные ветви. Обмотка статора должна иметь минимально возможное число параллельных ветвей.

Учитывая все выше указанные требования к частотно-регулируемым АД проводится разработка трехфазных и двухфазных частотно-регулируемых асинхронных двигателей, которые встраиваются в корпус двигателя постоянного тока.

В третьей главе проводится сравнительный анализ характеристик 3-х фазных и 2-х фазных АД, выполненных с двухслойной обмоткой и однослойной обмоткой. Использование НПЧ с двухфазными АД представляется целесообразным при разработке новых электроприводов по системе НПЧ-АД для ряда экскаваторов. В первую очередь это связано с общей стоимостью электропривода: двухфазная система дешевле, т. к. суммарное количество тиристоров в схеме меньше, как видно из рис. 2 и 3.

2. Схема трехфазной системы НПЧ-АД

3. Схема двухфазной системы НПЧ-АД

Алгоритмы программы компьютерных расчетов электродвигателей были разработаны по методикам, представленным в списке литературы в диссертации. АД рассчитывались на максимальную частоту диапазона регулирования.

Существенно то, что при питании от преобразователя частоты двухфазному АД не требуются фазосмещающие элементы (это так называемый “сдвиг схемой”), магнитное поле в машине будет круговым при любых нагрузках и скольжениях.

Таблица 1 - Результаты проектирования двигателя механизма поворота и напора ЭКГ-10 с двухслойной и однослойной обмотками

Тип обмотки	Двухслойная обмотка с укорочением шага (=0.8)	Однослойная обмотка с диаметральным шагом	Двухслойная обмотка с укорочением шага (=0.8)	Однослойная обмотка с диаметральным шагом
Мощность двигателя Р2, кВт	200	200	200	2000
Число фаз, m	2	2	3	3
Частота f, Гц	25	25	25	25
Число полюсов 2p	4	4	4	4
Фазное напряжение Uф, В	315	315	315	315
Момент номинальный Мн, кН•м	2,55	2,55	2,55	2,55
Скольжение номинальное sн	0,021	0,023	0,022	0,029
Момент пусковой Мп, кН•м	3,44	2,01	2,78	1,18
Момент максимальный Ммакс, кН•м	5,26	3,72	4,59	2,56
Кратность пускового тока, Iп/I1ном	4,98	3,61	4,41	2,49
Критическое скольжение, Sкр	0,12	0,09	0,11	0,08
Коэффициент полезного действия,	0,91	0,90	0,91	0,89
Коэффициент мощности, cos	0,91	0,88	0,91	0,83
Индуктивность обмотки статора Ls,Гн	0,0006	0,0010	0,0012	0,0022
Масса активных частей M, кг	1103	1072	1098	1082
Ток холостого хода Iхх, А	78	70	41	39
Коэффициент мощности холостого хода cosхх	0,08	0,08	0,09	0,09
kоб1*	0,86	0,96	0,91	0,90
kоб3	-0,18	-0,64	-0,38	-0,30
kоб5	0	0,2	0	-0,19
kоб7	-0,08	0,15	-0,09	0,14
kоб11	0,09	0,1	-0,10	-0,1
kоб13	0,05	0,09	-0,05	-0,09
kоб17	0,05	0,08	0,05	0,08
kоб19	-0,08	0,08	0,08	-0,08
kоб23	0,05	0,09	0,05	0,09
kоб25	0	0,1	0	0,1
kоб29	0,13	0,15	-0,14	-0,14
kоб31	-0,18	0,20	-0,19	0,19
kоб35	0,00	0,96	0,00	-0,90
kоб37	0,53	-0,96	-0,56	0,90
kоб41	-0,18	-0,2	-0,19	-0,19
kоб43	0,08	-0,15	-0,09	0,14
kоб47	0,06	-0,10	0,06	-0,10
Проводимость пазового рассеяния обмотки статора, п1, Гн	1,022	1,289	1,197	1,346
Проводимость дифференциального рассеяния обмотки статора, д1, Гн	0,64	0,87	0,64	0,8
Проводимость лобового рассеяния обмотки статора, л1, Гн	5,54	5,54	5,54	5,54
Проводимость пазового рассеяния обмотки ротора, п2, Гн	3,31	3,34	2,98	3,21
Проводимость дифференциального рассеяния обмотки ротора, д2, Гн	0,812	0,812	0,812	0,812
Активное сопротивление обмотки статора r1, Ом	0,037	0,042	0,054	0,061
Активное сопротивление обмотки ротора r'2, Ом	0,0161	0,0164	0,0257	0,0262
Индуктивное сопротивление обмотки ротора x'2, Ом	0,095	0,102	0,152	0,167
Индуктивность ротора L'r, Гн	0,00061	0,00065	0,00097	0,0011
Индуктивное сопротивление взаимоиндукции x12, Ом	3,93	4,39	7,53	7,85
Индуктивность взаимоиндукции L12, Гн	0,025	0,028	0,048	0,049
Момент инерции двигателя J, кг·м2	12
*Примечание - kоб-обмоточный коэффициент, где - номер гармоники.

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы:

• пусковой момент Мп больше у двигателей с числом фаз m=2;
• максимальный момент Mмакс больше у двигателей с числом фаз m=2;
• коэффициент мощности cos всех машин приблизительно одинаковый;
• индуктивность обмотки статора меньше у двигателей с m=2, что приводит к увеличению Mмакс и Мп;
• проводимость пазового рассеяния п1 больше у двигателей с m=3, что в первую очередь определяется размерами паза;
• проводимость лобового рассеяния л1 у двигателей с m=3 больше;

Кривая магнитного поля у двухфазной машины ближе к синусоиде, следовательно, состав высших гармоник меньше, а значит кривая поля ближе к синусоиде.

В четвертой главе проведены исследования цикловых механических нагрузок главных электроприводов карьерных экскаваторов по системе НПЧ-АД. Рассмотрены вопросы исследования экскаваторного АД на разработанной в среде Simulink пакета Matlab имитационной модели.

Рассмотрен цикл работы карьерного экскаватора ЭКГ-10 и дана количественная оценка изменения механических нагрузок и параметров цикла при переходе от используемой в настоящее время на главных электроприводах системы постоянного тока генератор двигатель (Г-Д) к системе НПЧ-АД. На рис. 4 приведены количественные оценки моментов инерции ДПТ и АД. Разработанные АД имеют меньший момент инерции, что позволяет сократить время цикла экскаватора, т.е. повысить его производительность.

4. Моменты инерции ДПТ и АД используемых для главных

На математической модели исследован пуск АД при холостом ходе и при номинальной нагрузке. По полученным значениям токов, электромагнитного момента и скорости проверена правильность расчета АД. Исследованы энергетические показатели АД на цикле экскавации. Математическая модель трехфазного АД представлена на рис. 5.

5. Математическая модель трехфазного АД

Математическая модель реализуется для решения системы дифференциальных уравнений:

U1 = R1i1 + d1 /dt; U1 = R1i1+ d1/dt ; 0 = R2i2 + d2 /dt + r2; 0 = R2i2+ d2 /dt – r2, Mэ=m/2·p·(1 i1 -1 i1)	(1)

6. Пуск при холостом ходе и наброс номинальной нагрузки

7. График изменения момента при набросе нагрузки

8. График изменения тока при набросе нагрузки

9. Изменение момента сопротивления на двигателе поворота на цикле экскавации

10. Изменение электромагнитного момента двигателя поворота на цикле экскавации

11. График изменения скорости двигателя поворота на цикле экскавации

12. Изменение тока статора двигателя поворота на цикле экскавации

По дифференциальным уравнением (1) была разработана математическая модель двухфазного АД. Математическая модель двухфазного АД представлена на рис.13.

13. Математическая модель двухфазного АД

Данная модель показывает достоверность разработанного двухфазного АД, а также возможность использования двухфазных АД в главных приводах экскаватора. Результаты моделирования двухфазного АД представлены в диссертации.

общие выводы

1. Проведено расчетное проектирование вариантов АД с двухфазной и трехфазной обмоткой статора.
2. В результате исследований показана возможность создания и применения двухфазных АД на мощности основных механизмов электроприводов экскаваторов.
3. Рассмотрены варианты проектирования АД с двухслойными и однослойными обмотками статора. Показана возможность выполнения мощных АД с наиболее технологичными однослойными обмотками, имеющими более высокий коэффициент заполнения паза и близкий к синусоиде закон распределения магнитного поля в воздушном зазоре.
4. Энергетические показатели разработанных и исследованных двухфазных АД не уступают энергетическим показателям двигателей с традиционными трехфазными двухслойными обмотками.
5. Результаты диссертации используются ОАО “Рудоавтоматика” при модернизации существующих и разработке новых электроприводов экскаваторов. Они могут быть полезны другим предприятиям и организациям при создании мощных регулируемых приводов переменного тока.
6. Выводы и результаты диссертации, представленные в ней алгоритмы и программы используются в учебном процессе кафедры электромеханики МЭИ(ТУ).

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Беспалов В.Я., Качалина Е.В. Сравнительные характеристики асинхронных двигателей с трехфазными и двухфазными обмотками для частотно-регулируемого электропривода. // Электричество, 2010. №7. (принята к печати).
2. Беспалов В.Я., Качалина Е.В. Модернизированный асинхронный двигатель. Сборник трудов 13 ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 1-2 февраля 2007). // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Сборник трудов 13 ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. - Москва, 2007. - С. 16-17.
3. Беспалов В.Я., Качалина Е.В. Модернизированный асинхронный двигатель. Труды 3-ей международной научно-технической конференции // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: Труды 3-ей международной научно-технической конференции. - Екатеринбург УГТУ-УПИ, 2007.
4. Беспалов В.Я., Микитченко А.Я., Качалина Е.В. Асинхронные двигатели для частотно – регулируемого привода экскаватора. // Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. Тезисы докладов. XII Международная конференция, 2008г.
5. Беспалов В.Я., Качалина Е.В. Асинхронные двигатели для частотно – регулируемого привода экскаватора. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Сборник трудов 15 ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. - Москва, 2009. - С. 16-17.
6. Беспалов В.Я., Микитченко А.Я., Качалина Е.В. Асинхронные двигатели для частотно – регулируемого привода экскаватора. // Электроэнергетика и электротехника. Проблемы и перспективы. Труды симпозиума. Том 1. – Россия. С.175-178