Оптимізація форми живлячої напруги асихронного двигуна при частотному керуванні.

Abstract

Трифазний асинхронний двигун (АД) є основним типом електродвигуна, який застосовується в промисловості та на суднах морського флоту. Широке застосовування трифазні АД одержали завдяки простоті устрою, зручності обслуговування та високої надійності роботи. Використання асинхронного приводу в суднових підйомних механізмах, насосах та вентиляторах з регульованою продуктивністю передбачає плавне регулювання швидкості в широкому діапазоні. В даний час в основному використовується частотне регулювання – найбільш плавний та економічний спосіб регулювання швидкості асинхронних короткозамкнених двигунів, що забезпечує широкий спектр регулювання (до 12:1 і вище) з досить жорсткими механічними характеристиками. Однак застосування цього методу вимагає спеціальних перетворювачів частоти, тип яких визначає схему частотного управління АД. В сучасних приводах з усіх видів методів отримання синусоїдального струму в основному використовується метод з проміжною ланкою постійного струму та інвертором, керованим широтноімпульсним модулятором (ШIM). Для одержання синусоїдальної форми кривої струму необхідно досить часто (приблизно 10 разів за півперіода) перемикання ключів інвертора, що призводить до значних комутаційних втрат в ключах і їх розігріву, для зменшення якого використовуються рідинні системи охолодження. Останнє різко знижує експлуатаційну надійність і ускладнює конструкцію інвертора. У дійсній статті досліджено експлуатаційні показники АД при живленні його прямокутною напругою типу меандр, утворення якого передбачає зменшення на порядок комутаційних втрат в інверторі та відмови від систем рідинного охолодження. Виходячи з аналізу додаткових втрат у обмотках і сталі двигуна від вищих гармонійних, що виникають при живленні несинусоїдальним струмом визначено енергетичні показники АД при описаних способах живлення і вплив значень обмоткового коефіцієнта на ці показники. За наведеною методикою розрахунків доведено, що навіть у найгіршому варіанті додаткові втрати від вищих гармонійних складають незначну частку від загальних втрат двигуна і не можуть суттєво впливати на його енергоефективність і тепловий режим. Three-phase asynchronous motor (AD) is the main type of electric motor used in industry and on ships of the marine fleet. Three-phase ADs have gained wide application due to their simplicity of design, ease of maintenance and high reliability of operation. The use of an asynchronous drive in ship hoisting mechanisms, pumps and fans with adjustable performance involves smooth speed regulation in a wide range. Currently, frequency regulation is mainly used – the most smooth and economical way to regulate the speed of asynchronous squirrel-cage motors, which provides a wide range of regulation (up to 12:1 and above) with fairly rigid mechanical characteristics. However, the use of this method requires special frequency converters, the type of which determines the frequency control scheme of the AC. In modern drives, of all types of methods for obtaining a sinusoidal current, the method with an intermediate DC link and an inverter controlled by a pulse-width modulator (PWM) is mainly used. Тo obtain a sinusoidal shape of the current curve, it is necessary to switch the inverter keys quite often (approximately 10 times per half-period), which leads to significant switching losses in the keys and their heating, to reduce which liquid cooling systems are used. The latter sharply reduces operational reliability and complicates the design of the inverter. In the present article, the operational indicators of the AD when powered by a rectangular voltage of the meander type are investigated, the formation of which provides for an order of magnitude reduction in switching losses in the inverter and the rejection of liquid cooling systems. Based on the analysis of additional losses in the windings and steel of the motor from higher harmonics that arise when powered by a non-sinusoidal current, the energy indicators of the AD are determined for the described power supply methods and the influence of the winding coefficient values on these indicators. According to the calculation method presented, it has been proven that even in the worst case scenario, additional losses from higher harmonics constitute a small fraction of the total engine losses and cannot significantly affect its energy efficiency and thermal regime.