Энергосберегающий асинхронный двигатель на примере регулируемого электропривода насосов

Энергосберегающий подход к решению задачи оптимизации режимов работы электроприводов переменного тока включает в себя решение вопросов разработки энергосберегающего асинхронного двигателя, т.е. такого двигателя, который в режимах работы имел бы наименьшие потери при обеспечении технических характеристик и минимизации действительной стоимости двигателя.

Основным исходным уравнением при разработке любой электрической машины является выражение расчетной мощности, которую будем считать заданной:

,

где n -синхронная частота вращения (для магистральных насосов n=50 об/сек);

D, l -диаметр расточки статора и длина сердечника;

А, - линейная нагрузка и магнитная индукция машины, в

воздушном зазоре в номинальном режиме;

-обмоточный коэффициент;

-обмоточный коэффициент укорочения;

У - шаг обмотки;

- коэффициент распределения.

Как следует из выражения (38), при заданной мощности Р и частоте вращения, произвольно изменяющимися (при соблюдении уравнения 58) являются пять величин: . От выбора этих и ряда других, указанных ниже величин, зависят технические характеристики двигателя, т. е. соответствие их техническим требованиям привода, энергетические характеристики и решение поставленной задачи энергосбережения.

Потери в двигателе складываются из потерь в обмотке статора - , потерь в обмотке ротора - , потерь в стали - , потерь механических- :

.

Потери в обмотке статора:

,

где - число фаз, ток, сопротивление обмотки статора.

Потери в обмотке статора складываются из потерь в ее активной части - и лобовой части - :

Потери в активной части обмотки статора:

где , - удельное сопротивление материала обмотки статора;

длина фазы активной части обмотки статора

сечение фазы

.

- число витков и плотность тока в обмотке статора

Ток обмотки статора может быть выражен через линейную нагрузку:

,

После подстановки соответствующих величин получим:

Таким образом, потери в активной части обмотки статора равны произведению поверхности расточки сердечника статора, удельного сопротивления материала (меди) обмотки статора, линейной нагрузки и плотности тока в обмотке статора.

Аналогичным образом можно получить:

где - длина полувитка лобовой части обмотки статора.

Подобные выражения могут быть получены для потерь в обмотке ротора заменой индекса 1 на 2.

Анализ полученных выражений показывает, что при заданной мощности и частоте вращения, при неизменном объеме сердечника изменение шага (например, уменьшение), с одной стороны, приводит к изменению (уменьшению) потерь, с другой стороны, - к изменению (увеличению) линейной нагрузки, и, следовательно, потерь.

Таким образом, первым направлением в решении задачи разработки энергосберегающего двигателя является оптимизация, с точки зрения минимума потерь, шага обмотки.

При заданной мощности и частоте вращения, при выбранных значениях электромагнитных нагрузок

(49)

Из (49) следует, что, т.к. D и при выполнении последнего условия могут иметь бесчисленное число значений, задача выбора главных размеров электрической машины является многовариантной: машина может быть короткой (малая длина сердечника, большой диаметр) или длинной (большая длина сердечника, малый диаметр). Геометрию машины (длинная, короткая) принято характеризовать геометрическим параметром

, . (50)

Известно, что выбор параметра оказывает всестороннее влияние на все технические характеристики асинхронного двигателя: на нагрев его обмоток, энергетические параметры, на потери. В асинхронных двигателях выбор параметра оказывает большое влияние на такие технические характеристики как: пусковой момент, максимальный момент (перегрузочная способность), маховый момент (большой или, наоборот, малый). Высоких требований к пусковому моменту асинхронного двигателя в частотно-регулируемом приводе насоса не предъявляется. Понятие перегрузочной способности для асинхронного двигателя насоса теряет физический смысл.

Поэтому, при выборе параметра для асинхронного двигателя насоса, требования, предъявляемые к этим техническим характеристикам, отодвигаются на второй план, на первый план выдвигаются требования обеспечения минимума потерь, возможны также различные подходы к решению этой задачи. Таким образом, вторым направлением решения задачи снижения потерь является оптимизация геометрического параметра , исходя из критерия минимума потерь.

Обратимся теперь к выбору электрических нагрузок - линейной нагрузки А и плотности тока в обмотках статора и ротора . Анализ формул (79), (80) показывает, что снижение электрических нагрузок А и j приводит к снижению потерь в обмотках статора и ротора. Однако снижение линейной нагрузки сопряжено (как следует из 70) с увеличением габаритов и объема сердечника, что в свою очередь приводит (при ) к увеличению потерь в стали и потерь в обмотках статора и ротора, т.е. к отрицательной обратной связи на функцию снижения потерь. Поэтому, это направление (снижения линейной нагрузки) не следует считать приоритетным.

Более перспективным для достижения поставленной цели-снижения потерь в обмотках статора и ротора - является путь снижения плотности тока в обмотках.

В обычных асинхронных двигателях использование такого подхода сопряжено с рядом ограничений. Значительное снижение плотности тока в обмотке ротора приводит к уменьшению ее сопротивления, а следовательно, к уменьшению пускового момента, что недопустимо по техническим требованиям согласно ГОСТ. Как уже отмечалось, данная проблема применительно к асинхронным двигателям частотно-регулируемых приводов насосов практически снимается.

Снижение плотности тока в обмотке статора (как правило, и в обмотке ротора) сопряжено с увеличением площади паза, высоты паза.

Увеличение высоты паза приводит к увеличению индуктивных сопротивлений рассеяния, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Действительно, индуктивное сопротивление:

,

,

- магнитная проводимость полей рассеяния;

; (52)

.

После преобразований:

; (53)

или

, (54)

где .

Анализ выражения (54) показывает, что с увеличением высоты паза увеличивается магнитная проводимость полей рассеяния, индуктивное сопротивление, снижаются и пусковой момент и максимальный, со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями для обычных двигателей.

Поскольку в асинхронном двигателе частотно-регулируемого привода насоса жестких требований к пусковому моменту и к перегрузочной способности не предъявляются, то увеличение высоты паза, в разумных пределах, достаточных для решения поставленной задачи, не вызывает возражений.