Повышение энергоэффективности асинхронной электрической машины за счет оптимизации удельных показателей

Современная промышленность все чаще сталкивается с потребностью в энергоэффективном электроприводом. Самым лучшим решением является использование пары полупроводниковый преобразователь - электрический двигатель. При этом наблюдается увеличение КПД, снижению электрических потерь, а также гибкость управления скорости. Однако главной проблемой в данной коллаборации является неоптимизированная геометрия электропривода, базируешься на стандартных шаблонах, принятых советскими инженерами в 20 веке. Геометрия серийных электрических двигателей была рассчитана от питания от сети, с помощью управления через дополнительные электрические устройства.

Таким образом, главной задачей современных производителей электрических двигателей состоит в оптимизации геометрии. Помимо достижения высокий энергетических показателей так же можно достичь высоких удельный показателей таких как масса и геометрия магнитопровода, уменьшение массы ротора, которое в свою очередь может увеличить быстродействие привода и расширить рамки управления при позиционировании [1,2,3]. Необходимо отметить применения современных материалов в проектирование электродвигателей. Это позволяет сократить потери в стали, улучшить электро-магнитные свойства. Так применения анизотропной стали в производстве ротора в синхронных реактивных машинах позволяет увеличить отношение индуктивностей Ld/Lq и увеличить тем самым электромагнитный момент, развиваемый двигателем[4].

Так как на сегодняшний день использование асинхронного двигателя широко распространено в промышленности ввиду очевидных преимуществ.

1)                                                2)

Рис. 1. Диаграммы распределения вдоль окружности расточки статора линейной нагрузки (а), МДС (б), магнитной индукции в зазоре (в) и удельного касательного усилия (г) при заданном положении ротора (д) при прямоугольном (1) и синусоидальном (2) графике линейной нагрузки

Fig. 1. Distribution diagrams along the circumference of the stator bore of linear load (a), MF (b), magnetic induction in the gap (c) and specific tangential force (d) at a given rotor position (e) for rectangular (1) and sinusoidal (2) linear load _________________ graph

Однако, не смотря на большой скачок возможностей преобразовательной техники, использование других типов электрических двигателей ограничено. Таким образом, поставлена задача по модернизации конструкции асинхронный двигатель следующим путем:

• -    выбор формы фазного напряжения, а также выбор количество питающих фаз;

• -    параметрическая оптимизация геометрии статора, в заданных условиях номинальной работы электродвигателя.

Выбор оптимальной формы питающего напряжения обусловлено достижением максимальной производительности машины. С учетом развития управления электродвигателей, в частности ПЧ-АД, открывается возможность по созданию любой формы питающего напряжения.

Методы и способы исследования

У каждой формы фазового напряжения есть свои достоинства и недостатки: синусоида имеет плавное нарастание напряжение, что исключает перенапряжение. Выделяют две основные формы: синусоидальная и прямоугольная форма. Каждая из форм имеет свои достоинства и недостатки. Так синусоидальная форма имеет плавное изменение значений напряжения и тока, не имеет перенапряжений, скачков тока, которые негативно влияют на работу электромеханических преобразователей. Однако, система управления осложняется созданием синусоидальной формы тока с помощью ШИМ и т.д. В этом случае предпочтение можно отдать прямоугольной форме тока. Это позволит улучшить массогабаритные показатели электромеханической части электропривода. Чтобы убедиться в правильном выборе формы напряжения и тока обратимся к диаграммам распределения линейной нагрузки, индукции, удельного касательного усилия. При этом возьмем идеальную электрическую машину, у которой ротор идеальную неявнополюсную конструкцию, а обмотка статора создает равномерную линейную нагрузку.

Если пространственную волну линейной нагрузки A принять идеальной прямоугольной формы (рис. 1-1 а), то зависимость МДС опишется ло-маной (рис. 1-1 б), индукция в воздушном зазоре - дискретной кривой (рис. 1-1 в), а удельная касательная сила - кривой (рис. 1-1 г). Эти зависимости изображены, когда ротор двигателя занимает положение, соответствующее максимальному электромагнитному моменту (рис. 1-1.д).

Когда пространственная волна линейной нагрузки A имеет синусои-дальную форму (рис. 12 а), то зависимость МДС описывается косинусоидой (рис. 1-2 б), индукция в воздушном зазоре -дискретной кривой (рис. 1-2 в) и удельная касательная сила - кривой (рис. 1-2 г).

В результате при равных среднеквадратичных токах электродвигатель с синусоидальной формой линейной нагрузки развивает меньший электро- магнитный момент. Это можно судить по формулам, представленным ниже, которые характеризуют электромагнитный момент для каждой из форм:

М = RQ = 2RLf /₂ f-1 + I )- 1 •da = 2 (1) М = RQ = 2RLf T f- —cosa)^V2 sinada = ⁴ /2 T                          T

Сопоставляя величины электромагнитного момента при прямоугольной пространственной волне линейной нагрузки и синусоидальной, видим, что в первом случае электродвигатель развивает удельный электромагнитный момент больше в 1,23 раза. Таким образом, прямоугольная форма питающей сети предпочтительнее для исследуемого синхронного реактивного двигателя.

Переход к прямоугольной форме тока улучшает энергетические показатели электропривода, однако при этом появляются коммутационные пульсации момента, вызванные мгновенным переключением обмоток. Соответственно, чем меньше число фаз, тем дальше ротор отклоняется от оптимальной точки угловой характеристики. В этой связи оптимальным является число фаз, равное 6. При увеличении числа фаз схема значительно усложняется и удорожается. При меньшем же числе фаз заметно увеличиваются коммутационные пульсации момента, что сильно сказывается на нагреве машины. В идеальном случае, когда число фаз привода равно бесконечности, оптимальной формой тока является прямоугольник. Однако в реальном случае ток не может мгновенно изменить направление, т.к. это станет причиной перенапряжений. Особенно заметно это проявится на большей частоте коммутации. Таким образом, принимается число фаз равное 6.

В случае оптимизации геометрии электрического двигателя необходимо определить метод оптимизации. Электромагнитный момент, создаваемый магнитным полем, зависит от гармонического спектра магнитодвижущих сил, а точнее векторного произведения:

M i = 2^ VF ai F bi 1= ^ S i ,           (2)

где, m - число фаз, R - магнитное сопротивление потоку в электрической машине, F_AiF_Bi -амплитудные значения i гармоник МДС, создаваемых обмотками, расположенными над полюсом и над межполюсными промежутком соответственно, S_i - площадь треугольника, образованного векторами-слагаемыми , F_AiF_Bi и F_i - вектором суммой [3]. Как правило, чтобы увеличить эффективность электрического преобразователя - минимизировать потери в активной части. Для этого воспользуемся критерием, предложенным Усыниным Ю.С.[2]:

• <    = ^          (3)

где Q_i - затраты на активные материалы.

В затраты на активные материалы входят весовые коэффициенты, которые в свою очередь характеризуются отношением внутреннего и внешнего диаметра статора машины, количества фаз, число пар полюсов, а формы питающего напряжения. Таким образом, задачей оптимизацией в случае представленного критерия является достижение минимального значения q путем подбора соотношений между массами железа, меди и т.д.

За опытную модель в качестве исследований принят асинхронный электрических двигатель с короткозамкнутым ротором. Номинальные параметры представлены в таблице 1.

Таблица 1 Технические параметры исследуемого электрического двигателя

Table 1 Technical parameters of the electric motor under study

Параметр	Значение
Мощность, кВт	1000
Номинальное напряжение, В	660
Частота	50
Номинальный ток, А	1085
Номинальная частота вращения, об/мин	990
КПД	0,96
cosφ	0,84

Исследование и анализ математической модели

В программной среде ANSYS Electronics Desktop создана математическая модель с геометрией и номинальными параметрами представленного электрического двигателя.

Исследования проводятся в следующих условиях: на обмотки статора от источника тока будет подан ток равного значения и частоты. Для того чтобы ускорить время переходного процесса, частота вращения вала двигателя ровняется номинальной скорости вращения. После установивше- гося переходного процесса холостого хода, производится наброс нагрузки, равной номинальному моменту электрического двигателя. Цель данного эксперимента – рассмотреть скорость затухания колебаний в контуре скорости и напряжения, зафиксировать амплитуды электромагнитного момента, наводимого напряжения и т.д. Полученные результаты представлены на рисунке 2

В зависимости от полученных данных в случае с трапецеидальной формой тока появляются пульсации электромагнитного момента. Наблюдается наглядная тенденция увеличения числа и амплитуды пульсаций с увеличением числа фаз. Это происходит из-за бросков напряжения, наводимого в обмотках статора. На рисунке изображены переходные процессы напряжения в обмотках статора для трех фазной и шестифазной обмоток. Как видно из рисунков в 6-фазном исполнении амплитуда пульсации достигает до 1,6кВ, что напрямую влияет на электромагнитный момент, так как момент прямо пропорционально зависит от квадрата напряжения [6,7].

На следующем этапе произведен параметрический анализ, позволяющий варьировать пользовательский параметр в определенной области данных. Для этого необходимо рассматривать электромагнитную систему в статике. Для исследования спроектированы обмотки машины в момент максимальной амплитуды тока в момент времени. В этом случае определяется оптимальное отношение варьируемого параметра к электромагнитному параметру машины. В качестве варьируемого параметра приняты параметры статорного зубца и величина диметра статоры. Параметры ротора в этом случае не учитываются, так как рассматривается АД с короткозамкнутой обмоткой

а)

б)

Рис. 2. Переходные процессы момента при постоянном синусоидальном (а) и трапецеидальном (б) токе для трех и шести фаз

Fig. 2. Transient torque processes at constant sinusoidal (a) and trapezoidal (b) current for three and six phases

Рис. 3. Пульсации напряжения в обмотках статора при трапецеидальном токе Fig. 3. Voltage ripple in the stator windings with trapezoidal current

Рис. 4. Зависимость электромагнитного момента от высоты паза статора и внешнего диаметра статора для трехфазной обмотки: а) трапецеидальная форма тока; б) синусоидальная форма тока

Fig. 4. Dependence of the electromagnetic torque on the height of the stator slot and the outer diameter of the stator for a three-phase winding: a) trapezoidal current shape; b) sinusoidal current shape

Рис. 5. Зависимость электромагнитного момента от высоты паза статора и внешнего диаметра статора для шестифазной обмотки: а) трапецеидальная форма тока, б) синусоидальная форма тока

Fig. 5. Dependence of the electromagnetic torque on the height of the stator slot and the outer diameter of the stator for a six-phase winding: a) trapezoidal current shape, b) sinusoidal current shape

Вывод

Анализ полученных результатов областей параметрической оптимизации геометрии по двум основным параметрам статора показал, что в случае оптимизации для трапецеидальной формы напряжение результат оптимизации не очевиден. Наблюдается разброс полученных данных, которые не позволяет определить вектор оптимизации геометрии, что впоследствии подтверждает теорию необходимости пересмотреть конструкцию обмотки, соединение катушечных групп и также формы ротора двигателя. Для предложенной конструкции использование трапецеидальной формы напряжение не целесообразно и не энергоэффективно.

В случае с синусоидальной формой напряжение наблюдается четкая тенденция по уменьше- нию пазовой зоны статора. В случае изменения спинки статора необходимо понимать, в каких условиях работает электрический двигатель. Необходимо отметить, что для улучшения данных показателей ведет к увеличению диаметра статора, что в свою очередь приведет увеличению массогабаритных показателей и как следствие ухудшению удельного отношения массы к мощности.

Увеличение числа фаз в статорной обмотке в обоих случая показывает положительную тенденцию по быстродействию переходного процесса. Время переходного процесса для двигателя с 6 фазной обмоткой сокращается в 2 раза (рис.2), перерегулирование для двух исполнений остается неизменным и составляет 87%. Данное завышенное значение обусловлено ограничением тока статора в ходе исследования.