Моделирование и исследование энергоэффективности асинхронных двигателей при вариациях режимных и конструктивных параметров

Актуальность проблемы. С возрастанием цен на электроэнергию проблема энергосбережения приобретает особую актуальность. Затраты на мероприятия по экономии 1 кВт мощности в 4−5 раз дешевле стоимости вновь вводимого 1 кВт мощности. Асинхронные двигатели (АД) преобразовывают до 40% всей вырабатываемой в России электроэнергии — около 400 ТВтч в год. Использованием энергоэффективных двигателей и эксплуатацией АД в режимах с минимальным потреблением энергии можно сэкономить в России до 6 ТВт’ч в год или более 12 млрд. руб, поэтому повышение эффективности работы АД и эксплуатация их в энергосберегающих режимах очень актуальна.

АД при полной загрузке в течение года преобразовывает такое количество электроэнергии, стоимость которой в 6−8 раз выше стоимости самого электродвигателя. При КПД АД 90% за год в АД выделяются потери энергии стоимостью до 60−80% стоимости АД. Созданием, выпуском и внедрением высокоэффективных АД с повышенным КПД классов EFF1, EFF2, EFF3, Premium занимаются ведущие фирмы развитых стран мира. В России в качестве примера можно привести начатую ОАО «НИПТИЭМ» разработку энергоэффективной серии АД — 7А [60].

В настоящее время для регулирования питающего напряжения по величине и частоте широкое распространение получили преобразователи частоты модуляционного типа, использующие различные виды широтно-импульсной модуляции (ШИМ), порождающие высокий уровень высших гармоник питающего напряжения. Повышению уровня высших гармоник способствует и рост применения технологических установок, работающих в импульсном режиме, нелинейных нагрузок, полупроводниковых преобразователей и т. п. Эксплуатация АД при несинусоидальном напряжении приводит к повышенному потреблению электроэнергии, снижению энергоэффективности его работы. К повышению потерь в АД приводит и неправильный выбор способа ШИМ напряжения и/или неудачное изменение параметров ШИМ во время регулирования частоты и величины напряжения. Целесообразно исследование влияния формы питающего напряжения от преобразователя с ШИМ на энергоэффективность работы АД, так как основная доля потерь мощности в современных частотно-управляемых электроприводах рассеивается непосредственно в АД. Поэтому разработка математических моделей энергоэффективности АД при работе от регуляторов с ШИМ напряжения является чрезвычайно важной и актуальной. Использование таких моделей будет полезным при разработке регуляторов с ШИМ напряжения, конструкций АД, работающих с такими регуляторами, систем управления и алгоритмов регулирования, наладчикам установок.

Зачастую АД работают в неноминальных режимах — с неноминальной нагрузкой, неноминальным и несимметричным напряжением. Энергетические показатели АД — коэффициенты полезного действия г| и мощности coscp зависят от нагрузки АД и от параметров напряжения сети. Формирование математических зависимостей энергетических показателей АД от величин нагрузки, степени неноминальности и несимметрии фазных напряжений является важной задачей.

Важное значение для экономии электроэнергии имеют вопросы правильной технической эксплуатации, своевременной профилактики и ремонта АД. Отклонения параметров и характеристик АД, возникающие в процессе эксплуатации, обычно приводят к необходимости снижать нагрузку машины. Кроме того, в эксплуатации находится множество АД с превышенным сроком службы и/или имеющих ряд отклонений, вызванных эксплуатационными факторами и проведенными ремонтами. Ремонт АД может быть выполнен в неспециализированных предприятиях, которые зачастую не имеют необходимого оборудования, комплектующих изделий, квалифицированного персонала. В этих случаях технология ремонта АД может отступать от заводской технологии, что будет сказываться на энергетических показателях и характеристиках АД. Эксплуатация АД после такого ремонта приводит к изменению режима их работы и энергоэффективности. Оценка влияния операций ремонта при разных их сочетаниях с разной степенью отступления от образцовой технологии ремонта на показатели АД разных мощностей представляется актуальной.

Таким образом, эксплуатация находящихся в неудовлетворительном техническом состоянии АД, отклонение от номинальных режимов работы, низкое качество электроэнергии — то есть при вариациях режимных и конструктивных параметров, приводят к дополнительным затратам электроэнергии, повышенному энергопотреблению АД, снижению их энергоэффективности.

Вклад в исследование энергетической эффективности АД, определение потерь в АД при их работе в различных режимах, разработку энергоэффективных АД внесли многие ученые, в том числе: Беспалов В. Я, Браславский И. А., Гольдберг О. Д., Иванов-Смоленский А.В., Извеков В. И., Ильинский Н. Ф., Копылов И. П., Костырев M. J1., Котеленец Н. Ф., Кравчик А. Э., Кузнецов В. А., Кузнецов H. JL, Макаров JI.H., Никиян Н. Г., Попов В. И., Радин В. И., Семенчу-ков Г. А., Скороспешкин А. И. и др. Однако моделирование и исследование энергоэффективности АД при многофакторных вариациях режимных и конструктивных параметров в полном объеме, особенно при работе от регуляторов с ШИМ напряжения, остается малоизученным.

В настоящее время не представляется возможным создание универсальных моделей, всесторонне и адекватно отражающих энергоэффективность работы АД и их свойства при многофакторных вариациях режимных и конструктивных параметров. Поэтому обычно рассматриваются специализированные математические модели, соответствующие отдельным процессам. Постоянное проведение многообразных и многочисленных вычислительных экспериментов на основе специализированных вычислительных моделей затруднительно. В этих условиях целесообразна эффективная обработка получаемых результатов и формирование достаточно простых математических количественных зависимостей. Очевидно, что обобщение результатов исследований энергоэффективности АД, работающих в разных режимах, нужно выполнять на единой методологической основе, возможно, разработать полиномиальные зависимости энергетических показателей АД от параметров работы и эксплуатационных отклонений, удобных в практическом использовании, например, на основе методов планирования эксперимента.

Большой вклад в развитие теории планирования эксперимента применительно к задачам электромеханики внесли: Круг Г. К., Ивоботенко Б. А., Ильинский Н. Ф., Копылов И. П., а также Казаков Ю. Б., Асатурян В. И., Красовский Г. И., Мойсюк Б. Н., Филаретов Г. Ф. и многие другие.

Одновременный учет нелинейных влияний нескольких факторов на энергоэффективность работы АД в формируемых методами планирования эксперимента моделях достаточно затруднен и требует расчета большого числа точек плана. Для снижения числа плановых точек целесообразна доработка методов планирования эксперимента в части использования рототабельных ортогональных планов второго порядка на основе правильных многоугольников. На основе сформированных математических моделей энергоэффективности работы АД возможна выработка алгоритмов изменения режимов АД как объектов экстремального управления.

Актуальность проблемы позволяет сформулировать цель диссертацииоценка и прогнозирование изменения энергоэффективности работы АД при многофакторных вариациях режимных и конструктивных параметров, повышение энергоэффективности АД путем целенаправленного изменения параметров широтно-импульсного, несимметричного и неноминального питающего напряжения, зазора и обмотки статора.

Поставленная цель требует решения следующих основных задач:

На единой методологической основе разработать математические модели, ориентированные на оценку и прогнозирование энергоэффективности работы АД при многофакторных вариациях режимных и конструктивных параметров.

Разработать методику расчета изменения потерь в АД в зависимости от способа и параметров импульсного модулирования питающего напряжения.

Провести исследование и прогнозирование изменения энергоэффективности работы АД с учетом изменения способа и параметров широтно-импульсного модулирования, степени несимметрии и величины питающего напряжения, нагрузки, зазора и параметров обмотки статора.

Выработать рекомендации повышения энергоэффективности асинхронных двигателей путем целенаправленного изменения сочетания режимных и конструктивных параметров.

Для формирования обобщенных моделей энергоэффективности асинхронных двигателей разработать обоснованные и эффективные планы на основе методов планирования эксперимента.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием положений общей теории электрических машин, теории электрических цепей, гармонического и векторного анализа, линейной алгебры и прикладной математики, методов планирования эксперимента, компьютерного моделирования. Адекватность разработанных моделей оценивалась проверкой с результатами расчетов АД в средах математического моделирования Excel, MATLAB и Math-cad, с опубликованными экспериментальными данными.

Научная новизна работы.

На единой методологической основе разработаны обобщенные математические модели энергоэффективности АД при многофакторных вариациях режимных и конструктивных параметров.

Разработана методика расчета изменения потерь в АД, работающих от преобразователей напряжения, отличающаяся учетом способа широтно-импульсной модуляции напряжения, частоты и скважности импульсов, зависимости изменения сопротивления обмоток с изменением частоты тока.

Проведено исследование и прогнозирование изменения энергоэффективности работы АД при изменении параметров импульсного, несимметричного и неноминального питающего напряжения, нагрузки, зазора и обмотки статора. Предложены методы повышения энергоэффективности работы АД путем целенаправленного изменения сочетания режимных и конструктивных параметров.

Практическая значимость.

Учет в разработанных математических моделях степени несимметрии и величины напряжения сети, способа и параметров широтно-импульсного модулирования напряжения, изменения нагрузки, зазора и параметров обмотки статора позволяют прогнозировать изменение энергоэффективности работы АД при многофакторных вариациях режимных и конструктивных параметров.

Показано, что повышение энергоэффективности работы АД при эксплуатации может быть достигнуто за счет целенаправленного изменения величины питающего напряжения, способа и параметров широтно-импульсного модулирования напряжения.

Результаты исследований позволяют оценить влияние изменения зазора, сечения провода и числа эффективных проводников в пазу при выполнении ремонтных операций на показатели АД разных мощностей.

Математические модели энергоэффективности АД имеют практическую значимость для разработчиков АД, преобразователей напряжения, операторов установок. Они могут быть заложены в алгоритмы регулирования с целью повышения энергоэффективности АД.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены: в производственный процесс ОАО «ТЯЖМАШ» в виде результатов прогнозирования энергоэффективности работы асинхронных двигателей при различных параметрах электроэнергии питающей сети — частоты, величины, степени несимметричности и несинусоидальности напряженияв практику ремонта асинхронных двигателей в ООО «ПРОМЭНЕРГОРЕМОНТ» для прогнозирования изменения характеристик АД при разных операциях ремонтав практику разработок научно-технического центра «ARGO» в виде методик расчета потерь в асинхронных двигателях при широтно-импульсном регулировании питающего напряжения и алгоритмов регулирования в системах управления и учета энергоресурсов.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертации обеспечивается подтверждением данных моделирования экспериментальными результатами, строгим выполнением математических преобразований, использованием апробированных методик расчетов, применением современных математических моделей и пакетов программ, принятием корректных допущений, сопоставлением с опубликованными исследованиями других авторов.

Основные положения, выносимые на защиту.

Методика расчета изменения потерь в АД, работающих от преобразователей с широтно-импульсным модулированием напряжения, учитывающая способ модуляции напряжения, частоту и скважность импульсов, зависимость изменения сопротивления обмоток с изменением частоты тока.

Частные математические модели энергоэффективности работы АД на основе рототабельных ортогональных планов второго порядка с использованием правильных многоугольников, учитывающие изменение степени несимметрии и величины питающего напряжения, параметров широтно-импульсного модулирования напряжения, нагрузки, зазора и параметров обмотки статора.

Результаты исследования и прогнозирования изменения энергоэффективности работы АД при многофакторных вариациях режимных и конструктивных параметров.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на V Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2006 г.) — Межвузовской научно-практической конференции (Сызрань, 2007 г.) — VI-ой международной научно-практической Интернет-конференции «Энергои ресурсосбережение — XXI век» (Орел, 2008 г.) — XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты (МКЭЭЭ-2008)» (Крым, Алушта, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных статей, материалов докладов и тезисов [49−57], в том числе 3 статьи в журналах ведущих энергетических ВУЗов и рекомендованных ВАК РФ [50, 51, 55]:

Казаков Ю.Б., Андреев В. А. Влияние параметров широтно-импульсного регулирования напряжения на добавочные потери в асинхронных двигателях. // Электричество — № 9, 2008. — С. 39−44.

Казаков Ю. Б. Андреев В.А. Влияние несимметрии напряжений на энергетические показатели асинхронного двигателя. // Изв. вузов. «Проблемы энергетики». — 2007, № 9−10. — С. 73−79.

Казаков Ю. Б. Андреев В.А., Шумин А. А. Зависимость потерь в асинхронных двигателях от параметров широтно-импульсного регулирования напряжения. // Вестник ИГЭУ. — 2007. — № 3. — С. 50−53.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 148 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 130 наименований, приложений, включает 50 рисунков и 32 таблицы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

1. На основе разработанных математических моделей проведено исследование энергоэффективности работы АД серий 4А и АИРМ разных мощностей.

2. Исследована энергоэффективность АД при работе от преобразователей с ШИМ напряжения в зависимости от способа импульсной модуляции напряжения, числа импульсов на периоде и скважности с разными кратностями пускового тока в АД. Установлено, что дополнительные потери в обмотках и магни-топроводе в АД, работающих от преобразователя с ШИМ напряжения, возрастают существенно нелинейно со снижением скважности и практически линейно с уменьшением числа импульсов напряжения на полупериоде. Изменение скважности оказывает примерно в 3 раза большее влияние на дополнительные потери в АД, чем изменение числа импульсов напряжения на полупериоде.

Уменьшение КПД АД 30 кВт с Кп=7 при работе от преобразователя с ШИМ напряжения с постоянной шириной импульсов при U=366.3 В, у=0,542 и N = 18 изменяется в зависимости от нагрузки и может достигать 9% при номинальной нагрузке.

3. На основе разработанных математических моделей оценены пределы изменения энергоэффективности АД, работающих при изменении нагрузки, напряжения сети, с разной степенью несимметрии фазных напряжений. Выявлено, что на изменение коэффициентов мощности и полезного действия АД большее влияние оказывает изменение нагрузки, чем изменение напряжения. Установлено, что минимальные значения КПД, коэффициента мощности и результирующего момента соответствуют сочетаниям факторов: для КПД — при U,=Ulmin и U2=U2tim (снижение КПД по сравнению с номинальным на 1,1%) — для cosiр — при Ui=Uimax и U2=U2max (снижение на 1,8%) — для МЭм — при Ui=Uimjn и U2=U2max (снижение на 10,1 Нм). При исследовании энергетических показателей и электромагнитного момента АД мощностью 7,5 кВт в расширенном диапазоне изменения напряжения прямой и обратной последовательностей: Ui = (0.8-K, 2) U" и U2 = (0,05-Ю, 1) U" установлено, что максимальное снижение КПД, coscp и Мэм составят соответственно 3,6%, 6,6% и 21,67 Нм.

4. На основе разработанных математических моделей проведено исследование энергоэффективности АД разных мощностей при изменении зазора и обмоточных данных. Выявлены направления и степени влияния изменения зазора, числа эффективных проводников в пазу и сечения проводников в АД разных мощностей на изменения тока, мощности и коэффициента мощности холостого хода, КПД и коэффициента мощности при номинальной нагрузки, пусковых токов и моментов, критического и номинального скольжений. Установлено, что наибольшее влияние на показатели АД оказывает изменение числа эффективных проводников в пазу. Выявлены пределы и направления изменения коэффициентов моделей с изменением мощности АД, что позволяет прогнозировать показатели других АД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На единой методологической основе разработаны математические модели асинхронных двигателей, ориентированные на оценку и прогнозирование изменения энергоэффективности работы АД при многофакторных вариациях режимных и конструктивных параметров.

2. Разработана методика расчета изменения электрических потерь в обмотках и потерь в стали АД, работающего от преобразователя с ШИМ напряжения при заданных параметрах модулирования — способе модуляции, скважности и числе импульсов на периоде, определяющих спектр гармоник напряжения, для разных зависимостей изменения активного сопротивления обмоток с изменением гармоники тока.

3. Установлено, что при работе АД от преобразователя с ШИМ напряжения потери от высших гармонических могут достигать значительных величин. Так, при числе импульсов на полупериоде 12 и скважности 0.2 для АД с кратностью пускового тока 5.5 с сильным проявлением эффекта вытеснения тока увеличение электрических потерь в обмотках может достигнуть 447% потерь в обмотках от основной гармоники при номинальной нагрузке. Для АД с отсутствием действия эффекта вытеснения тока в обмотках увеличение потерь в обмотках при этих параметрах ШИМ может достигнуть 23.6% потерь в обмотках от основной гармоники при номинальной нагрузке. Снижение кратности пускового АД тока квадратично снижает электрические потери в обмотках от действия высших гармоник напряжения. Увеличение потерь в стали АД, работающего от преобразователя с ШИМ напряжения, при числе импульсов на полупериоде 12 и скважности 0.2 достигает 101.5% потерь в стали от основной гармоники.

4. Разработаны ориентированные на формирование математических моделей энергоэффективности асинхронных двигателей рототабельные ортогональные планы второго порядка на основе правильных многоугольников, отличающиеся сокращенным числом плановых точек и меньшей трудоемкостью обработки результатов расчетов.

5. Разработаны обобщенные, с погрешностью не более 10%, математические модели энергоэффективности АД, работающих от преобразователя с ШИМ напряжения, в зависимости от способа модулирования, скважности и числа импульсов напряжения на периоде, при изменении нагрузки, напряжения сети, степени несимметрии фазных напряжений, зазора и обмоточных данных.

6. На основе разработанных математических моделей проведено исследование энергоэффективности работы АД серий 4А и АИРМ разных мощностей. Дополнительные потери в АД, работающих от преобразователя с ШИМ напряжения, возрастают нелинейно со снижением скважности и линейно с уменьшением числа импульсов на периоде. Изменение скважности оказывает в 3 раза большее влияние на дополнительные потери, чем изменение числа импульсов на периоде. Увеличение потерь в АД при работе от ШИМ с синусоидально изменяющейся шириной импульсов в среднем на 37% меньше, чем при импульсах постоянной ширины. Оценены пределы изменения энергоэффективности АД при изменении нагрузки, напряжения сети, степени несимметрии фазных напряжений. Выявлены направления и степени влияния изменения зазора, числа эффективных проводников в пазу и сечения проводников на изменения показателей АД.

7. Адекватность разработанных моделей обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными результатами.

8. Выработаны рекомендации повышения энергоэффективности асинхронных двигателей путем целенаправленного изменения сочетания режимных и конструктивных параметров.