Research and designing of asynchronous motors with internal indemnification with use of imitating and structural modelling

Електрифікація та автоматизація гірничих робіт УДК 621.313 О. М. Попович, к. т.н., доц. М. О. Смаглюк, магістрант (ІЕД НАН України) ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ПРОЕКТУВАННЯ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ ІЗ ВНУТРІШНЬОЮ КОМПЕНСАЦІЄЮ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ІМІТАЦІЙНОГО ТА СТРУКТУРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ O. M. Popovych, PhD, assoc. prof., M. O. Smahliuk, undergraduate (IED NAS of Ukraine) RESEARCH AND DESIGNING OF ASYNCHRONOUS MOTORS WITH INTERNAL INDEMNIFICATION WITH USE OF IMITATING AND STRUCTURAL MODELLING Показано можливості комплексного дослідження асинхронних двигунів із внутрішньою компенсацією реактивної потужності при застосуванні універсальної моделі асинхронних двигунів електромеханотронних систем для імітаційного та структурного моделювання. Наведено приклад математичної моделі компенсованого двигуна із ізольованою від мережі компенсаційною обмоткою, замкненою на конденсатори. Ключові слова: компенсований асинхронний двигун, внутрішня компенсація, імітаційне та структурне моделювання Показаны возможности комплексного исследования асинхронных двигателей с внутренней компенсацией реактивной мощности при использовании универсальной модели асинхронных двигателей электромеханотронных систем для имитационного и структурного моделирования. Приведен пример математической модели компенсированного двигателя с изолированной от сети компенсационной обмоткой, замкнутой на конденсаторы. Ключевые слова: компенсированный асинхронный двигатель, внутренняя компенсация, имитационное и структурное моделирование Opportunities of complex research of asynchronous motors with internal indemnification of a reactive power are shown at use of universal model of asynchronous motors of electromechanical systems for imitating and structural modelling. The example of mathematical model of the compensated engine with the compensating field isolated from a network closed on condensers is shown. Key words: compensated induction motor, internal indemnification, imitating and structural modeling Асинхронні двигуни (АД) є найбільш поширеними електромеханічними перетворювачами енергії завдяки їх високій надійності, конструктивній простоті, прийнятним рівнем енергетичних показників. В умовах енергетичної кризи збільшується жорсткість вимог до енергоефективності електромеханічного обладнання. Внаслідок цього, енергоефективність конструкцій традиційних АД (ТАД), особливо для порівняно невеликих потужностей, у деяких випадках вважають недостатньою, що викликає тенденцію їх заміни, наприклад двигунами з постійними магнітами, вентильно138 Випуск 25. – 2014 р. ISSN 2079-5688 Вісник НТУУ «КПІ». Серія «Гірництво» індукторними двигунами. Така заміна може бути економічно доцільною для регульованого електроприводу не зважаючи на велику вартість потрібної напівпровідникової перетворювальної частини і зниження надійності. Для стабільних режимів роботи підвищення енергоефективності досягають оптимальним проектуванням АД із розширенням спектру їх конструктивних схем. Одним із напрямків вдосконалення є розробка і застосування компенсованих АД (КАД) та внутрішньою компенсацією реактивної потужності. Корисний ефект при їх застосуванні пояснюють розвантаженням обмоток статора від реактивних струмів, покращенням просторового гармонічного складу МРС при наближенні процесів у КАД до таких, що відповідають шестифазній системі. Конструктивні відмінності КАД від ТАД полягають в тому, що в пазах статора КАД розміщуються дві трифазні обмотки, рис.1. Одна з обмоток, так звана робоча (РО), підключається до джерела живлення, а інша, так звана компенсаційна (КО), замикається на трифазний конденсатор (С) потрібної ємності. Параметри обмоток і ємність конденсатора визначаються при проектуванні електромагнітної системи КАД. У роботах [1, 2] проектування здійснюється за методикою, що спирається на модифікацію та аналіз наступної схеми АД. У роботі [3] наголошують, що конструкція КАД дозволяє істотно збільшити кількість електромагнітних схем силової частини електроприводу. Обмотки статора можуть підключатися до кількох трифазних джерел живлення, з'єднуватись одна із іншою у різний спосіб. Кожна з обмоток РО та КО може розміщуватись у всіх пазах статора, або виконуватись на базі обмотки серійного асинхронного двигуна, із розподіленням її на дві частини, які просторово зміщенні між собою в пазах осердя статора на заданий кут із з’єднанням за схемою поворотного автотрансформатора на електричну ємність С [4]. З умов технічної простоти та забезпечення ефективної роботи двигуна цей кут приймають рівним 30˚, що робиться розподіленням фазної зони 60˚ обмотки статора базової машини на дві рівні частини. Одна з напівобмоток фази приймається за основну і являє собою первинну обмотку із включенням її на напругу живлення. Друга – додаткова, або вторинна обмотка зміщена відносно первинної на кут 30˚ проти напрямку обертання поля [4]. Математичне моделювання та порівняльні дослідження КАД ускладнені великою кількістю конструктивних варіантів, проблемами адекватності величини визначених електромагнітних параметрів. Випуск 25. – 2014 р. 139 Електрифікація та автоматизація гірничих робіт Рис.1. Схема АД із внутрішньою компенсацією Метою даної роботи є вибір, обгрунтування та адаптація універсальних засобів математичного моделювання для цілей дослідження АД із внутрішньою компенсацією, розробка рекомендацій із їх застосування. Задачі дослідження та проектування АД із внутрішньою компенсацією можуть бути ефективно розв’язані при наявності математичних моделей, які враховують особливості даного типу АД. Це багатоваріантні ускладнені структури обмотки статора та системи живлення, підключення додаткових реактивних опорів до виводів всередині АД, збільшений вплив просторових гармонік МРС на ефективність робочих режимів. Даним вимогам задовольняє математична модель АД електромеханотронних систем [5, 6], яка призначена для дослідження режимів роботи двигунів із короткозамкненим ротором із довільною схемою з’єднання віток обмотки статора між собою та із елементами зовнішньої мережі при врахуванні довільної структури віток, несиметрії та нелінійності параметрів [7], впливу спектру просторових гармонік МРС. Модель призначено для дослідження статичних та динамічних режимів роботи АД у складі електромеханічних систем (ЕМС) засобами імітаційного та структурного моделювання, зокрема системи MATLAB. Стандартні блоки АД у даній системі мають обмежені можливості і не задовольняють вказаним вимогам до моделей КАД. Для використання можливостей системи MATLAB із моделювання ЕМС стосовно КАД, застосовується структурна Simulink-модель АД [6], яку інтегровано до системи імітаційного моделювання. Вихідною інформацією для математичного моделювання є обмоткові дані базового АД, структура віток обмотки статора із визначенням розподілу секцій обмотки за пазами, їх кількості витків, діаметрів проводів. Схема з’єднання віток між собою при структурному моделюванні задається матрицями включення, які пов’язують залежні та незалежні струми віток за першим законом Кірхгофа і напруги віток та мережі – за други (...truncated)