Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания

В статье рассмотрен вопрос экспериментального исследования теплового состояния частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания. Предложены для экспериментального исследования три схемы питания. Исследования проведены на двигателе АИР90LB4, в котором размещены терморезис...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
1. Verfasser:	Петренко, А.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2010
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Електричні машини та апарати
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143386
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания / А.Н. Петренко // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 5. — С. 21-23. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-143386
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1433862018-11-01T01:23:12Z Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания Петренко, А.Н. Електричні машини та апарати В статье рассмотрен вопрос экспериментального исследования теплового состояния частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания. Предложены для экспериментального исследования три схемы питания. Исследования проведены на двигателе АИР90LB4, в котором размещены терморезисторы СТ-1-19. Выполнена оценка влияния схемы питания на тепловое состояние двигателя. У статті розглянуто питання експериментального дослідження теплового стану частотно-керуємого асинхронного двигуна при різних джерелах живлення. Запропоновано для експериментального дослідження три схеми живлення. Дослідження проведені на двигуні АИР90LB4, в якому закладені терморезистори СТ-1-19. Виконана оцінка впливу схеми живлення на тепловий стан двигуна. The paper considers a problem of experimental investigation of a frequency-controlled induction motor thermal condition under different power sources. Three supply circuits are chosen for the experimental investigation. The investigations are conducted with an ANV90LB4 motor in which ST-1-19 thermistors are installed. Action of every supply circuit on the motor thermal condition is estimated. 2010 Article Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания / А.Н. Петренко // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 5. — С. 21-23. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143386 621.313.2 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Петренко, А.Н. Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания Електротехніка і електромеханіка
description	В статье рассмотрен вопрос экспериментального исследования теплового состояния частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания. Предложены для экспериментального исследования три схемы питания. Исследования проведены на двигателе АИР90LB4, в котором размещены терморезисторы СТ-1-19. Выполнена оценка влияния схемы питания на тепловое состояние двигателя.
format	Article
author	Петренко, А.Н.
author_facet	Петренко, А.Н.
author_sort	Петренко, А.Н.
title	Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания
title_short	Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания
title_full	Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания
title_fullStr	Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания
title_full_unstemmed	Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания
title_sort	экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143386
citation_txt	Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания / А.Н. Петренко // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 5. — С. 21-23. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT petrenkoan éksperimentalʹnoeissledovanienagrevačastotnoupravlâemogoasinhronnogodvigatelâprirazličnyhistočnikahpitaniâ
first_indexed	2025-07-10T17:04:10Z
last_indexed	2025-07-10T17:04:10Z
_version_	1837280319681593344
fulltext	ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №5 21 УДК 621.313.2 А.Н. Петренко ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ У статті розглянуто питання експериментального дослідження теплового стану частотно-керуємого асинхронного двигуна при різних джерелах живлення. Запропоновано для експериментального дослідження три схеми живлення. Дослідження проведені на двигуні АИР90LB4, в якому закладені терморезистори СТ-1-19. Виконана оцінка впливу схеми живлення на тепловий стан двигуна. В статье рассмотрен вопрос экспериментального исследования теплового состояния частотно-управляемого асин- хронного двигателя при различных источниках питания. Предложены для экспериментального исследования три схемы питания. Исследования проведены на двигателе АИР90LB4, в котором размещены терморезисторы СТ-1-19. Выполнена оценка влияния схемы питания на тепловое состояние двигателя. ВВЕДЕНИЕ Погрешность в определении температур при ис- пользовании расчетных методов исследования тепло- вого состояния электрических машин может достигать 15 %, что объясняется допущениями, присущими всем расчетным методам. Поэтому достоверная информация о тепловом состоянии электрической машины может быть получена только в результате экспериментально- го исследования нагрева. Это характерно и для частот- но-управляемых асинхронных двигателей, у которых помимо основных потерь, связанных с первой гармо- никой напряжения, возникают дополнительные элек- трические и магнитные потери, обусловленные выс- шими гармониками напряжения [1, 2]. Величина этих потерь зависит от спектра высших гармоник и их ам- плитуд, что, в свою очередь, определяется источником питания частотно-управляемого асинхронного двига- теля. На практике используются автономные инверто- ры напряжения (АИН), обеспечивающие ступенчатую форму фазного напряжения на двигателе и преобразо- ватели частоты, у которых, с целью улучшения спек- трального состава выходного напряжения, применяют широтно-импульсную модуляцию прямоугольного напряжения по синусоидальному закону. Ширина им- пульсов изменяется в течении полупериода, наиболь- шая ширина импульсов наблюдается в середине полу- периода, а к началу и концу ширина импульсов умень- шается [2, 3]. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Для оценки степени влияния типа источника пи- тания на тепловое состояние частотно-управляемого асинхронного двигателя, в качестве базового был выбран регулируемый источник синусоидального напряжения. Таким образом, в ходе экспериментального ис- следования нагрева частотно-управляемого асинхрон- ного двигателя были реализованы три режима питания. Блок-схемы источников питания, обеспечивающие каждый из режимов, представлены на рис. 1-3. Рис. 1. Режим питания синусоидальным напряжением (схема 1) Рис. 2. Режим питания от автономного инвертора напряжения (схема 2) Рис. 3. Режим питания от преобразователя частоты (схема 3) На рис. 1-3 обозначено: ПД – приводной двига- тель постоянного тока; ИГ – индукторный генератор; ИР – индукторный регулятор напряжения; ИД – ис- пытуемый асинхронный двигатель; БМ – балансирная машины постоянного тока; НР – нагрузочный реостат; В – мостовой выпрямитель; АИН - автономный ин- вертор напряжения; ПМК – программируемый мик- роконтроллер; ПЧ – преобразователь частоты (фирма "Shorh", Голландия). Во всех режимах питания реализовывались два наиболее распространенных закона регулирования – закон регулирования при постоянном моменте γ = α; М = const; 0 ≤ α ≤ 1,0 при регулировании "вниз" и закон регулирования при постоянной полезной мощ- ности и неизменном напряжении γ =1,0 = const; P2 = const; 1,0 ≤ α ≤ 1,5 при регулировании "вверх". Здесь фном1 ф1 U U =γ , ном1 1 f f =α . В качестве исследуемого был использован асин- хронный двигатель АИР90LВ4 с номинальными дан- ными: P2N = 2,5 кВт, U1фN =220 В, f1N = 50 Гц, nN = 1430 об/мин, исполнение IP44, ICO141. Потери в номинальном режиме: Рэл1 = 298 Вт; Рэл2 = 129 Вт; Рмаг = 123 Вт; Рмех = 19 Вт; Рдоп = 16 Вт. Для исследования температурного поля двигате- ля в радиальном и аксиальном сечениях, на стадии изготовителя двигателя были заложены термодатчи- ки. Схема размещения термодатчиков показана на рис. 4. Рис. 4. Схема закладки термодатчиков В качестве термодатчиков использовались тер- морезисторы СТ-1-19. В процессе исследования на- грева при трех режимах питания задавались значения 22 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №5 коэффициента регулирования α: 1,0; 0,9; 0,7; 0,5 – при регулировании "вниз" (регулирование при постоян- ном моменте) и 1,0; 1,1; 1,3; 1,5 – при регулировании "вверх" (регулирование при постоянной полезной мощности). В качестве примера в табл. 1 и 2 приведены зна- чения превышений температур в местах размещения термодатчиков для номинального режима двигателя - γ = α = 1,0. Таблица 1 Радиальное сечение (γ = α; α = 1,0; М = МN) Область двигателя Зубцовая зона статора Спинка сердечника Ротор Номер датчика Режим питания 5 16 22 30 17 37 Θокр Схема 1 72,3 59,1 61,9 49,5 44,6 75,5 29,5 Схема 2 84,7 69,2 71,3 57,0 51,4 97,2 20 Схема 3 78,8 63,9 67,2 53,7 48,2 80,0 27 Таблица 2 Аксиальное сечение Область двигателя Зубцовая зона статора Номер датчика Режим питания 25 5 14 19 22 8 20 5 28 Схема 1 72,4 72,3 75,3 61,2 61,9 71,5 78,3 72,3 81,9 Схема 2 84,2 84,7 88,2 81,7 71,3 83,7 91,8 84,7 96,0 Схема 3 78,6 78,8 81,3 65,9 67,2 77,0 85,5 78,8 88,7 Продолжение таблицы 2 Ротор Спинка сердечника Номер датчика 36 37 23 26 30 29 10 17 9 69,9 75,5 73,3 42,6 49,5 53,1 36,0 44,6 49,2 89,6 97,2 94,4 49,7 57,0 62,0 42,0 51,4 57,5 73,8 80,0 77,7 46,1 53,7 57,1 38,9 48,2 52,9 Продолжение таблицы 2 Внутренний воздух Подшипниковые щиты Охлаждающий воздух в каналах Номер датчика 1 3 13 12 31 33 35 49,2 55,0 27,7 42,1 6,7 10,0 15,5 60,1 67,2 31,4 49,8 9,4 14,1 19,4 52,6 58,5 29,8 44,9 6,8 11,6 16,0 По данным экспериментального исследования построены тепловые характеристики - зависимости превышений температур элементов конструкции дви- гателя от коэффициента регулирования α при трех режимах питания. Тепловые характеристики пазовой части обмотки статора, сердечника статора и обмотки ротора представлены на рис. 5-7. Установлено, что при всех режимах питания с увеличением коэффициента регулирования α превы- шения температур существенно уменьшаются. Наи- большие перегревы отмечены при γ = α = 0,5; М = МN, так как при этом снижается максимальный момент и жесткость механической характеристики, поэтому М = МN может быть реализован при относительном скольжении гораздо большем, чем в номинальном режиме. Так, при питании по схеме 1 и γ = α = 1,0; М = МN номинальное скольжение sN = 0,046, при той же схеме питания, но γ = α = 0,5; М = МN скольжение sN = 0,156. Увеличение скольжения приводит к росту электрических потерь в статоре и роторе: при γ = α = 1,0; Рэл1 = 298 Вт; Рэл2 = 129 Вт; при γ = α = 0,5; Рэл1 = 470 Вт; Рэл2 = 195 Вт. По мере роста α при γ = α, М = МN = const при всех режимах питания уменьшаются относительное скольжение и потери, а также повышается эффективность охлаждения за счет роста конвективных тепловых проводимостей эле- ментов конструкции двигателя. При α ≥ 1,0 происхо- дит смена закона регулирования с М = МN = const на Р = Р2N = const, при этом момент двигателя, а значит и потери с ростом α уменьшаются, эффективность ох- лаждения продолжает расти, что приводит к даль- нейшему уменьшению превышений температур. Тепловые характеристики пазовой части обмотки статора и сердечника статора при питании по схемам 2 и 3 подобны тепловым характеристикам при пита- нии по схеме 1, но проходят выше за счет дополни- тельных электрических и магнитных потерь от дейст- вия высших гармоник напряжения ΣPдопv. Расчетное исследование ΣPдопv для исследуемого двигателя АИР90LB4 по методике [1] при питании по схеме 2 позволило получить зависимость ΣPдопv = f(α). В ча- стности: • α = 0,5: ΣPдопv = 70,6 Вт или 9,8 % от ΣP, • α = 1,0: ΣPдопv = 120,8 Вт или 20,3 % от ΣP, • α = 1,5: ΣPдопv = 73,1 Вт или 13,5 % от ΣP, где ΣP - сумма основных потерь двигателя. Рис. 5. Тепловая характеристика пазовой части обмотки статора ΔΘ5 = f(α) Рис. 6. Тепловая характеристика сердечника статора ΔΘ17 = f(α) Рис. 7. Тепловая характеристика ротора ΔΘ37 = f(α) Установлено, что дополнительные электрические потери в статоре и роторе Рэл1v и Рэл2v составляют 94-96 % от ΣPдопv, при этом величины Рэл1v, Рэл2v опре- деляются спектром и амплитудами высших гармоник тока. По результатам экспериментальных и расчетных исследований установлено, что учету по значимости потерь подлежат 5, 7, 11, 13 гармоники тока при пи- тании по схеме 2 и 5, 7 гармоники тока при питании по схеме 3. Например, для номинального режима γ = α = 1,0; М = МN , действующие значения высших гармоник в % к первой гармонике тока: • схема 2: I5 = 34,7 %, I7 = 17,7 %, I11 = 8,2 %, I13 = 5,9 %; • схема 3: I5 = 6,7 %, I7 = 3,2 %. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №5 23 Отсюда следует, что ΣPдопv на тепловое состояние двигателя при питании по схеме 3 существенно мень- ше, чем при питании по схеме 2. Потери в роторе Рэл2v составляют в среднем 60 % от ΣPдопv. Это обстоятель- ство существенно влияет на вид тепловой характери- стики обмотки ротора при питании по схеме 2. При α = 1,0, когда ΣPдопv достигают максимума, на тепловой характеристике имеет место локальный максимум. При питании по схеме 3 тепловая характеристика обмотки ротора по форме подобна характеристике при питании по схеме 1, т.е. монотонна. Отметим также, что тепло- вые характеристики пазовой части обмотки статора и сердечника статора при всех схемах питания во всем диапазоне изменения α монотонны, что свидетельству- ет о меньшем влиянии ΣPдопv на нагрев этих элементов конструкции в сравнении с ротором [4]. Показательными с точки зрения влияния схемы источника питания на тепловое состояние двигателя являются разности превышений температур при базо- вом режиме, т.е. питание двигателя по схеме 1 и ре- жимах питания по схемам 2 и 3. Для значений α = 0,5; 1,0; 1,5 в табл. 3 приведе- ны разности превышений температур при питании по схемам 2 и 1, обозначенные ΔΘ°2-1 и при питании по схемам 3 и 1, обозначенные ΔΘ°3-1 для пазовой части обмотки статора, сердечника статора и обмотки рото- ра (термодатчики 5, 17, 37). Таблица 3 Термодатчик 5 Термодатчик 17 Термодатчик 37 α ΔΘ°2-1 ΔΘ°3-1 ΔΘ°2-1 ΔΘ°3-1 ΔΘ°2-1 ΔΘ°3-1 0,5 16,2 11,4 11,6 9,2 15,8 10,4 1,0 12,4 6,5 6,8 3,6 22,4 4,5 1,5 7,0 0,9 4,1 1,3 11,8 1,5 Из данных табл. 3 следует: • степень влияния схемы источника питания за- висит от области диапазона регулирования частоты вращения и от условий закона регулирования, т.е. М = const или Р2N = const; • во всем диапазоне регулирования частоты вра- щения и при всех рассматриваемых законах регулиро- вания степень влияния на тепловое состояние двигате- ля при схеме 2 существенно больше, чем при схеме 3. Для рассматриваемых элементов конструкции двигателя также оценим степень влияния схемы ис- точника питания соотношениями: %100 % 1 1-2 12 ⋅ ΔΘ ΔΘ =Δ − o o ; %100 % 1 1-3 13 ⋅ ΔΘ ΔΘ =Δ − o o , где ΔΘ°1 - превышение температуры элемента конст- рукции при питании по схеме 1. Результаты приведены в табл. 4. Таблица 4 Термодатчик 5 Термодатчик 17 Термодатчик 37 α Δ2-1% Δ3-1% Δ2-1% Δ3-1% Δ2-1% Δ3-1% 0,5 12,4 8,8 12,7 10,1 12,0 7,9 1,0 17,1 7,9 15,2 8,1 29,7 6,0 1,5 12,8 1,6 13,2 4,2 18,4 2,3 Из данных табл. 4 следует: • наиболее существенно влияние схемы источни- ка питания при схеме 2 и α = 1,0, когда ΣPдопv достигает максимума. При этом для всех рассматриваемых эле- ментов конструкции зависимости Δ2-1% = f(α) имеют явно выраженные максимумы в области α = 1,0; • значения Δ2-1% для пазовой части обмотки ста- тора и сердечника статора составляют во всем диапа- зоне регулирования 12-17 %, для обмотки ротора зна- чения Δ2-1% значительно больше и достигают 29 %. Как отмечалось ранее, это связано с влиянием Рэл2v; • при питании по схеме 3, значения Δ3-1% во всем диапазоне регулирования значительно меньше, чем Δ2-1%. Характерно резкое в 2,5-4 раза уменьшение Δ3-1% в верхней части диапазона регулирования, что свидетельствует о таком же изменении ΣPдопv при питании по схеме 3. В отличие от Δ2-1% = f(α) зависи- мости Δ3-1% = f(α) во всем диапазоне регулирования монотонны. ВЫВОДЫ Проведенные экспериментальные исследования позволили оценить влияние схемы источника питания на тепловое состояние асинхронного частотно- управляемого двигателя. При питании от автономного инвертора напряже- ния и ступенчатой форме подводимого к двигателю напряжения превышения температур элементов конст- рукции двигателя возрастают в сравнении с режимом питания синусоидальным напряжением на 15-30 %. При питании от преобразователя частоты и пря- моугольной форме подводимого напряжения с ши- ротно-импульсной модуляцией по синусоидальному закону – на 2-10 %. Это обстоятельство необходимо учитывать при определении допустимой по условиям нагрева мощ- ности двигателя во всем диапазоне регулирования частоты вращения. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Осташевский Н.А., Иваненко В.Н., Петренко А.Н. Потери в частотно-управляемом асинхронном двигателе при различ- ных законах регулирования и типах преобразователей // Электротехника и электромеханика. – 2009. - № 3. - С. 37-41. 2. Радин В.И., Брускин А.Э., Зорохович А.Е. Электриче- ские машины. Асинхронные машины. – М.: Высшая Школа, 1988. – 324 с. 3. Петрушин В.С. Асинхронные двигатели в регулируемом электроприводе. – Одесса: Наука и техника, 2006. – 320 с. 4. Осташевский Н.А., Петренко А.Н. Исследование тепло- вого состояния частотно-управляемого асинхронного двига- теля при изменении нагрузки // Электротехника и электро- механика. – 2010. - № 3. - с. 23-27. Поступила 22.09.2010 Петренко Александр Николаевич, начальник расчетного отдела АО "СКБ Укрэлектромаш" 61050, Харьков, ул.Искринская, 37 A.N. Petrenko Experimental investigation of a frequency-controlled induction motor heating under different power sources. The paper considers a problem of experimental investigation of a frequency-controlled induction motor thermal condition under different power sources. Three supply circuits are chosen for the experimental investigation. The investigations are conducted with an ANV90LB4 motor in which ST-1-19 thermistors are installed. Action of every supply circuit on the motor thermal condition is estimated. Key words – frequency-controlled induction motor, thermal condition, supply circuit, experimental investigation.

Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания

Institution

Ähnliche Einträge