книги / Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 , Пермь, 3-7 октября 2016 г

														Таблица 4
				Уровень радиопомех по мощности МШУ-1,8-230
						Уровень						Уровень		Уровеньрадиопомех
				радиопомехпо										присмещениищеток
		Частота,									радиопомех
		МГц				ГОСТ					серийного		порис. 1в, числовитков
				Р51318.14.1-2006,										обмоткивозбуждения
						дБ				двигателя, дБ				Ws = 85, дБ
		30			55						37,4			38..41
		45			55,6						34,4			42
		65			56,3						43,4			42
		90			57,2						36,4			34..37
		150			59,5						33,9			40..43
		180			60,6						30,5			36..38
		220			62,1						28,1			27..29
		300			65						28,8			26
														Таблица 5
						Рабочие характеристики МШУ-2-230П
		М,		I, А		Р1, кВт		n,				Уровень		Условияопыта
		кгс·см						об/мин				искрения, балл
				4,5		0,96		21000				2		Серийныйдвигатель
														Смещениещеток
		0		5,3		1,12		22930				1 ½		на1 коллекторное
														делениепротив
														направлениявращения.
				6,8		1,4		18930				2		Серийныйдвигатель
														Смещениещеток
		10		6,9		1,48		20400				1 ½		на1 коллекторное
														делениепротив
														направлениявращения.
				8,7		1,8		17480				1 ½		Серийныйдвигатель
														Смещениещеток
		20		9		1,9		18490				1 ¼		на1 коллекторное
														делениепротив
														направлениявращения.
				10,7		2,2		16210				2		Серийныйдвигатель
														Смещениещеток
		30		11		2,3		17070				1 ½		на1 коллекторное
														делениепротив
														направлениявращения.
														Таблица 6
				Уровень радиопомех по напряжению МШУ-2-230П
						Уровень						Уровень		Уровеньрадиопомех
		Частота,			радиопомех									присмещениищеток
											радиопомех
		МГц				поГОСТ						серийного	на1 коллекторноеделение
				Р51318.14.1-2006,							двигателя, дБ			противнаправления
						дБ								вращения, дБ
	0,16				70						55			53
	0,24				66						48			46
	0,55				60						45			45
	1,0				59						46			46
	1,4				58						40			40
	2,0				57						34			30
	3,5				56						32			32
	6,0				52						39			40
	10				52						40			40
	22				52						26			26
	30				52						12			10

			Таблица 7
	Уровень радиопомех по мощности МШУ-2-230П
	Уровень	Уровень	Уровеньрадиопомех
	радиопомех		присмещениищеток
Частота,		радиопомех
МГц	поГОСТ	серийного	на1 коллекторноеделение
	Р51318.14.1-2006,	двигателя, дБ	противнаправления
	дБ		вращения, дБ
30	55	39,4	39,4
45	55,6	39,4	39,4
65	56,3	39,4	40,4
90	57,2	28,4	29,4
150	59,5	38,9	40,9
180	60,6	30,5	31,5
220	62,1	27,1	28,1
300	65	28,8	28,8

Как показали исследования, применение в двигателе угловой шлифовальной машины МШУ-1,8-230 обмотки возбуждения с числом витков в катушке 85 вместо 90 возможно при смещении щеток по направлению вращения. Это приводит к восстановлению характеристик до исходного значения с некоторым повышением cosϕ, уровень искрения остается без изменения и соответствует случаю, когда щетки установлены на геометрическую нейтраль (см. табл. 2). Уровень радиопомех несколько увеличился на 6 дБ при частоте 22 МГц (см. табл. 3, 4).

Работа внедрена в серийное производство на АО «Лепсе». Годовой экономический эффект, подтвержденный предприятием, составил 2,7 млн руб. за счет экономии на материале обмоточного провода. В табл. 5 представлены рабочие характеристики двигателя мощностью 2 кВт привода угловой шлифовальной машины МШУ-2-230П (с номинальной частотой вращения двигателя 20 000 об/мин). Смещение щеток против направления вращения на 1 коллекторное деление позволило снизить искрение по всем режимам на 1 балл. Уровень радиопомех по сети и по мощности отличается незначительно и находится в пределах погрешности измерений (табл. 6, 7). Работа внедрена в серийное производство.

У коллекторных двигателей переменного тока мощностью 2,4 кВт минимальное искрение наблюдалось только в случае штатного положения щеток.

Таким образом, в результате проведенных исследований доказана возможность определения оптимального положения щеток в коллекторных машинах переменного тока за счет смещения магнитной системы в корпусе. Доказана возможность снижения искрения в некоторых случаях за счет смещения с геометрической нейтрали по направлению вращения при постоянном тормозном моменте с улучшением технико-экономических показателей за счет использования подмагничивающего эффекта продольной реакции якоря.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 341 -

УДК 621.313

Повышение ресурса работы щеточно-контактного аппарата турбогенератора

за счет использования смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена

А.И. Изотов, А.А. Фоминых	В.Я. Беспалов
Вятский государственный университет,	Национальный исследовательский университет «МЭИ»,
Киров, Россия	Москва, Россия

Resource work increase of brush-contact steam generator by use of lubricating brushes made of molybdenum disulphide

A.I. Izotov, A.A. Fominykh	V.Ya. Bespalov
Vyatka State University,	National Research University,
Kirov, Russian Federation	Moscow, Russian Federation

Предложен способ повышения ресурса работы щеточ- но-контактного аппарата турбогенератора за счет использования смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена.

This article deals with the method of upgrade the operating life of the brush – contact pair in the steam generator by use of lubricating brushes, made of molybdenum disulfide.

Ключевые слова: смазывающие щетки, электрические щетки, токораспределение, износ, котактные кольца, политурная пленка.

Keywords: contact rings, current distribution, electric brushes, lubricating brushes, wear.

ВВЕДЕНИЕ

В турбогенераторах широко применяются многощеточные узлы скользящего токосъема. Как показывает опыт эксплуатации, работа этих узлов характеризуется неравномерным распределением тока по параллельно работающим щеткам, что приводит к перегрузке отдельных щеток, их последующему нагреву и разрушению. Более четверти общего числа отказов турбогенераторов приходится на щеточно-контактный узел [1].

Кафедрой «Электрические машины и аппараты» Вятского государственного университета совместно с ООО «ЭФ-КОНТЭЛ» (г. Москва) разработан способ уменьшения неравномерности распределения тока по параллельно работающим щеткам с уменьшением их износа за счет установки на контактные кольца смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена [2, 3].

I. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

Задача исследований заключалась в оценке эффективности применения на токосъемных кольцах турбогенератора смазывающих щеток, предназначенных для уменьшения износов электрических щеток и контактных колец, а также для снижения неравномерности распределения тока по параллельно работающим щеткам.

Эксперимент проводился на турбогенераторе типа ТВВ – 320 – 2У3, на контактных кольцах щеточноконтактного аппарата которого используются электрощетки типа ЭГ2АФ+М (кольцо отрицательной полярности) и 611ОМ+М (кольцо положительной полярности). Щеточный аппарат генератора ТВВ-320-2У3 оснащен

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 342 -

	Рис. 2. Конструкция дополнительного щеткодержателя
	под установку смазывающей щетки на турбогенератор мощностью
	320 МВт: 1 – штатный щеткодержатель, 2 – дополнительный
	щеткодержатель, 3 – контактная часть смазывающей щетки,
Рис. 1. Cхема расположения электрических щеток по дорожкам	4 – несущая часть смазывающей щетки, 5 – спиральные
	пружины, 6 – крышка

двумя четырехдорожечными токосъемными кольцами, каждая дорожка оборудована 14 щеткодержателелями типа ДБУ (рис. 1).

Использование электрощеток с индексом +М [4] обеспечивает возможность работы контактного узла с половинным рабочим комплектом (28 штук на кольцо) за счет оригинальной конструкции токоподвода к угольному телу щетки с использованием латунной скобы. При этом число рабочих электрических щеток на дорожке составляет 7 штук размером 20×32×64 мм вместо 14 ординарной конструкции. Это позволило для проведения исследования использовать 4 щеткодержателя для установки смазывающихщеток.

С целью оценки возможности использования смазывающих щеток в щеточно-контактном аппарате испытуемого генератора был произведен расчет микротемператур в зоне контакта электрощетка – контактное кольцо при помощи программы моделирования подвижного электрического контакта «CONTACT» [5]. Для использования данного программного комплекса были проведены натурные испытания для определения средней температуры контактного узла, и на основании полученных данных выполнена оценка микротемпературы

взоне непосредственного контакта «щетка– кольцо». Результаты моделирования показали, что температура

взоне микроконтакта не превышает 300 оС, что делает возможным использование смазывающих щеток, выпол-

ненных на основе дисульфида молибдена (при температуре, превышающей 400оС, смазка теряет свои свойства и переходит в оксид – абразив).

Вдальнейшем были разработаны два варианта конструкции щеткодержателя под установку смазывающих щеток, обеспечивающих оптимальную толщину смазки

взоне контакта. По первому варианту в штатный щеткодержатель 1 (рис. 2) устанавливается дополнитель-

ный 2, выполненный из изоляционного материала, на торцевой поверхности которого имеются упоры для защиты от провисания. В обойму дополнительного щеткодержателя устанавливается смазывающая щетка, выполненная составной в виде несущей 4 и контактной частей 3, подпружиненная двумя спиральными пружинами 5, обеспечивающими регулирование усилия в широком диапазоне (50–300 гр.). Крышка 6 обеспечивает нажатие на пружины 5, которая, в свою очередь, подпружинивается штатной пружиной щеткодержателя ДБУ. Основными достоинствами данной конструкции являются широкий диапазон регулирования величины нажатия на смазывающую щетку, а также изоляция дополнительной щетки от токопроводящего щеткодержателя. К недостаткам данной конструкции можно отнести сложность и трудоемкость ее изготовления.

По второму варианту (рис. 3) в штатной щетке фрезеруется канал под установку контактной части смазывающей щетки, для стандартного щеткодержателя подбираются пружины, обеспечивающие оптимальную подачу смазки в зону контакта. Данная конструкция характеризуется простотой изготовления и поэтому в дальнейшем использоваласьдляпроведенияиспытаний.

Генератор, оснащенный комплектом щеток (по 28 на положительном и отрицательном кольце), работал в течение 4 часов с 100 % нагрузкой (ток возбуждения IВ = 2200 А). Затем на 2 дорожки отрицательного кольца были установлены смазывающие щетки (рис. 4) (на две токовые – одна смазывающая), и в течение 5 часов проведены испытания по оценке влияния смазывающих щеток на стабилизацию токораспределения параллельно работающих щеток при 100 % нагрузке.

Поскольку электрощетки на контактных кольцах располагались в шахматном порядке, смазка незначительно наносилась и на соседние дорожки.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 343 -

									Результаты испытаний щеточно-контактного аппа-
									рата генератора после установки смазывающих щеток
									спустя 2 и 5 часов приведены в табл. 2, 3, где приведе-
									ны результаты распределения тока ротора, мгновенные
									значения токов Ihi		под щетками 1-й и 2-й дорожек от-
									рицательного кольца, суммарный ток обмотки возбуж-
									дения IВ , средний ток					щеток IAV , рассчитанный
									в соответствии с рекомендациями руководства по экс-
									плуатации щеточно-контактого аппарата [6]. Кроме
									этого, приведены абсолютные отклонения тока всех
									щеток от среднего значения δ , рассчитанного по (1):
											n
											δ = 1			Ihi − IAV				,			(1)
Рис. 3. Вариант конструкции установки смазывающих щеток:											n i =1
									где n – количество щеток;
1 – смазывающая щетка; 2 – тело штатной электрощетки
											IAV =			IB	.						(2)
														n
									Во время испытаний щеточного аппарата до уста-
									новки смазывающих щеток максимальная токовая на-
									грузка под отдельными щетками достигала 120–140 А
									(щетки № 2, 6, 9), основная часть щеток работала с то-
									ковой нагрузкой 83 А. Три электрощетки нагружены не
									более чем на 50 А (№ 18, 21, 25,							см. табл. 1). Среднее
									абсолютное отклонение в случае отсутствия смазы-
									вающих щеток составляет 29,5 А.
									Установка смазывающих щеток позволила уменьшить
									неравномерность токораспределения. Спустя 2 часа рабо-
									ты щеточно-контактного аппарата (табл. 2) максимальная
									токовая нагрузка стала составлять 130 А (щетка №9), ос-
									новная часть щеток работала с токовой нагрузкой 75–80 А.
Рис. 4. Схема расположения смазывающих щеток									Среднееабсолютноеотклонениесоставляло22 А.
									По мере увеличения длительности работы смазы-
	II. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ								вающих щеток наблюдалось дальнейшая стабилизация
									токораспределения (табл. 3). По окончании экспери-
Анализ картины распределения тока ротора по элек-
									мента, спустя 5 часов работы, максимальная токовая
трощеткам при отсутствии смазывающих щеток пока-									нагрузка составляла 110–120 А (№ 6, 9, 22, 26), основ-
зал, что токовая нагрузка имеет значительную нерав-									ная токовая нагрузка 70–75 А. Среднее абсолютное от-
номерность (табл. 1).									клонение – 18 А.
							Таблица 1														Таблица 2
Распределение тока ротора по электрощеткам отрицательного кольца									Распределение тока ротора по электрощеткам отрицательного кольца
(100 % нагрузки, смазывающие щетки отсутствуют)									(100 % нагрузки, время наработки смазывающих щеток – 2 часа)
										IB , А
№ дорожек	IB , А	№щеток		Ihi, А	IAV, А		δ, А		№дорожек		№щеток			Ihi, А					IAV, А		δ, А
											1			77
			1	78
											2			111
			2	140
											5			90
			5	106
											6			111
			6	120
			9	140							9			130
											10			48
			10	90
1; 2	2044		13	87	73		29,5		1; 2	2044	13			96					73		22,0
											17			50
			17	60
											18			40
			18	41
											21			81
			21	40
											22			80
			22	80
											25			73
			25	50
											26			100
			26	80
											28			50
			28	25

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 344 -

					Таблица 3
Распределение тока ротора по электрощеткам отрицательного кольца
(100 % нагрузки, время наработки смазывающих щеток – 5 часов)
№дорожек	IB , А	№щеток	Ihi, А	IAV, А	δ, А
		1	86
		2	106
		5	82
		6	100
		9	120
		10	60
1; 2	2200	13	90	78,6	17,8
		17	69
		18	50
		21	85
		22	111
		25	75
		26	100			Рис. 5. Переходное сопротивление электрическая щетка –
		28	63			контактное кольцо

Из анализа приведенных данных можно сделать										В табл. 4 приведены результаты тепловизионной
заключение, что установка смазывающих щеток, вы-								съемки поверхности электрических щеток для случая от-
полненных на основе дисульфида молибдена, приво-								сутствия смазывающих при суммарном токе ротора рав-
дит к более равномерному распределению тока между								ном 2044 А. Наиболее нагретая щетка имеет температуру
параллельно работающими щетками. Это объясняется								140 °С, средняя температура всех щеток дорожек №1, 2
тем, что смазка формирует более стабильную дугу								составляет 92 °С. Установка смазывающих щеток (табл. 4)
контактирования, обеспечивающую постоянство со-								и замер температуры спустя 2 часа наработки позволили
противления переходного	слоя щетка – контактное							снизить среднюю температуру электрических щеток до
кольцо 5 (рис. 5). Оно значительно больше (в 3–4 раза)								89,1 °С,			максимальную температуру до 110 °С при воз-
[7] суммарного сопротивления,			которое			включает		росшем токе ротора, равном 2150 А. При более длитель-
в себя переходное сопротивление между						клеммой		ной работе смазывающих щеток (4 часа) и более высоком
и поводком щетки 1, сопротивление контакта между								значении суммарного тока ротора (2200 А) также наблю-
клеммой щетки и траверсой щеткодержателя 2, сопро-								дается положительная динамика уменьшения температу-
тивление между поводком и телом щетки 3, сопротив-								ры:		средняя		температура			всех	щеток–			88,8 °С,			макси-
ление углеродного материала (тела щетки) 4. Известно,								мальная температура наиболее нагретой щетки – 110 °С.
что контактная дуга при работе претерпевает значитель-								Таким образом, установка смазывающих щеток, выпол-
ные изменения, уменьшаясь в некоторые моменты вре-								ненных на основе дисульфида молибдена, позволила сни-
мени до 1/1000 от теоретической дуги контактирова-								зить среднюю температуру щеточно-контактного аппара-
ния) [8, 9].								тазасчетуменьшениякоэффициентатрениящеток.
																					Таблица 4
Температура электрощеток кольца отрицательной полярности тока (100 % нагрузки, смазывающие щетки отсутствуют)
№дорожек												1,2
№щеток		1		2		5	6	9		10	13		17	18	21		22		25		26		28
Температураповерхностищетки, оС		78		88		104	91	140		92	63		82	71	115		110		89		88		77
Суммарныйтокротора, А											2044
Средняятемпература, оС												92,0
																					Таблица 5
Температура электрощеток кольца отрицательной полярности тока (100 % нагрузки, смазывающие щетки установлены)
№дорожек												1,2
№щеток		1		2		5	6	9		10	13		17	18	21		22		25		26		28
Температураповерхностищетки, оС		88		60		100	101	110		75	102		79	77	100		104		95		100		57
Времянаработки, ч												2
Суммарныйтокротора, А											2150
Средняятемпература, оС												89,1
Времянаработки, ч												4
Суммарныйтокротора, А											2200
Среднийтокщеток, А												78,6
Температураповерхностищетки, оС		91		101		94	105	110		74	80		89	76	90		97		85		84		67
Средняятемпература, оС												88,8

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 345 -

Аналогичные данные по снижению температуры узла токосъема были получены на коллекторных двигателях переменного тока мощностью 2,4 кВт с материалом меди коллектора марки ПКМС (медь с добавкой серебра) [10]. Установка смазывающих щеток позволила снизить температуру коллектора в режиме холостого хода на 28 °С и для случая работы под нагрузкой на 15 °С.

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования с установкой смазывающих щеток на основе использования дисульфида молибдена в щеточно-контактный узел турбогенератора типа ТВВ – 320 – 2У3 показали, что их использование позволяет:

–уменьшить неравномерность распределения тока по параллельно работающим щеткам за счет стабилизации дуги контактирования токоведущих щеток;

–снизить температуру щеточно-контактного аппарата за счет снижения коэффициента трения щетка – контактное кольцо.

Библиографический список

1.Самородов Ю.Н. Причины и следствия аварий турбогенераторов // Энергия единой сети. 2014. № 2 (13). С. 70–80.

2.The influence of mechanical factors in alternating-current collector machines on level of radio noise / A.I. Izotov [& etc] // Russian Electrical Engineering. 2013. № 84 (8). P. 463–465.

3.Узел скользящего токосъема (варианты): пат. 112513 Рос.

Федерация, МПК H 01 R 39/00 / А.И. Изотов. № 2011120198/07; заявл. 19.05.2011; опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1. 2 с.

4.Электрощетка: пат. 68791 Рос. Федерация, МПК H 01 R 39/36 /

ООО «Фирма «КОНТЭЛ». № 2007132129/22; заявл. 24.08.2007; опубл. 27.11.2007, Бюл. № 33. 1 с.

5.Плохов И.В. Комплексная диагностика и прогнозирование технического состояния УСТ турбогенераторов: автореф. дис. … д-ра техн. наук. СПб., 2002. 36 с.

6.Руководство по эксплуатации ОБС.460.468 РЭ. Аппарат щеточноконтактный турбогенераторов.

7.Лившиц П.С. Скользящий контакт электрических машин. М.:

Энергия, 1974. 321 с.

8.О неравномерности распределения тока узлов трения электрических машин [Электронный ресурс] / А.А. Фоминых [и др.] // Общество, наука, инновации. (НПК – 2014): сб. материалов всерос. ежегод. науч.-практ. конф.; 15–26 апреля 2014 г. / Вят. гос. ун-т. Киров, 2014.

9.Деева В.С., Слободян М.С., Слободян С.М. «Живучесть» щеточного контакта электрических машин // Электричество. 2013.

№ 04. С. 45–49.

10.Тимошенко В.Н., Изотов А.И. Снижение износов элементов узлов токосъема за счет применения СЩ // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: сб. тр. по материалам междунар. науч.-техн. конф.; 5, 6 декабря 2013. Омск: Изд-во ОмГУПС, 2013. С. 128–13.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 346 -

УДК 621.3

Разработка энергоэффективного синхронного реактивного двигателя в общепромышленном корпусе

В.М. Казакбаев1,2, В.А. Прахт1,2, В.А. Дмитриевский1,2, С.Х.Ошурбеков1,2

1 Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия 2 ЭМАШ, Екатеринбург, Россия

The development of energy-efficient synchronous reluctance motor in standard industrial housing

V.M. Kazakbaev1,2, V.А. Prakht1,2, V.А. Dmitrievskii1,2, S.H. Oshurbekov1,2

1 Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russian Federation 2EMACH Ltd., Yekaterinburg, Russian Federation

	Представлены результаты разработки и экспери-		ВВЕДЕНИЕ
	ментального исследования энергоэффективного син-	К началу	XXI века, на	фоне	общей	тенденции
	хронного реактивного двигателя. Представлен деталь-
		к экономии энергоресурсов, стала важной проблема
	ный сравнительный анализ характеристик разработан-
	ного синхронного реактивного двигателя и серийного	улучшения	энергоэффективности		электропривода
	асинхронного двигателя той же мощности, изготовлен-	(ЭП). Энергопотребление может быть существенно
	ных в одном и том же корпусе. Сравниваются перегрев	снижено с помощью применения двигателей и преоб-
	обмоток двигателей и другие параметры установивше-	разователей частоты с высокими классами энергоэф-
	гося режима. Особенностью работы является то, что конст-	фективности [1].
	рукция двигателя реализована вкорпусе с размерами,	Наиболее используемым типом двигателя на сего-
	меньшими, чем корпус CELENEC (ГОСТ Р 51689-2000, II)	дняшний день является асинхронный двигатель (АД).
	для данной скорости вращения и мощности (ГОСТ Р	Однако в настоящее время АД уже достигли предела
	51689-2000, I).	своего конструктивного и технологического совершен-
	In this paper the results of the development and experi-	ствования. Дальнейшее улучшение КПД этих двигате-
	mental study of the highly efficient synchronous reluctance	лей возможно лишь экстенсивными методами: исполь-
	motor are presented. The results include a detailed compara-	зование большего количества меди и стали, а также
	tive analysis of the performances of the developed synchro-	применение медной беличьей клетки ротора [2]. Ос-
	nous reluctance motor and the commercial induction motor of	новным недостатком таких решений является увеличе-
	the same power made in the same housing. These motors heat-	ние размеров двигателя и его стоимости. Более того,
	ing and other parameters have been compared. A feature of	использование медной беличьей клетки ротора приво-
	the work is that the motor design is implemented in a housing	дит к значительному усложнению и удорожанию тех-
	with dimensions smaller than the CELENEC (GOST R 51689-
	2000, II) frame for the same rotational speed and power	нологии производства из-за высокой температуры
	(GOST R 51689-2000, I).	плавления меди [2].
	Ключевые слова: асинхронный двигатель, синхрон-	Одним из альтернативных путей для получения
		электродвигателей высокого класса энергоэффективно-
	ный реактивный двигатель, трехфазный электропри-	сти (IE3 и IE4), который не требует значительного ус-
	вод, экспериментальное исследование, энергоэффектив-	ложнения технологии производства, избыточного уве-
	ность.	личения размеров и массы, а также не требует исполь-
	Keywords: energy efficiency, experimental study,	зования дорогих постоянных магнитов (ПМ) является
	induction motor, synchronous reluctance motor, three-phase	использование синхронного		реактивного		двигателя
	electric drive.	(СРД). СРД не имеет электрических потерь в обмотке

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 347 -

ротора и может соответствовать самым высоким классам энергоэффективности [2].

Синхронный реактивный двигатель (СРД) имеет следующие преимущества: 1. Технология изготовления ротора СРД намного менее сложная и затратная, в сравнение с АД, из-за отсутствия необходимости заливки ротора алюминием или медью. 2. СРД имеет более простую и надежную конструкцию ротора, чем двигатель с ПМ. 3. Отсутствие потерь в обмотке ротора означает больший КПД и меньшую величину перегрева при той же самой нагрузке в сравнение с АД, в частности меньшую величину перегрева обмотки статора и подшипниковых узлов [2]. Более детальное сравнение перегрева АД и СРД дано ниже. 4. Отсутствие магнитов и короткозамкнутой обмотки на роторе уменьшает инерцию и асимметрию ротора, что является преимуществом в высокодинамичных приложениях.

Ранее авторы уже представили результаты разработки СРД класса IE4 в корпусе взрывозащищенного двигателя с увеличенными размерами магнитной системы по сравнению с АД серии INTERELECTRO [3].

В настоящей работе представлено экспериментальное сравнение рабочих характеристик современного серийного частно-регулируемого АД и СРД, разработанного авторами. Рассматриваемые двигатели имеют один и тот же корпус и внешний диаметр статора. Рассматриваются характеристики двигателей в широком диапазоне моментов нагрузки. Сделаны выводы относительно перспективы применения СРД привода в различных промышленных приложениях.

Корпус двигателей, рассматриваемых в работе, является стандартным алюминиевым корпусом двигате-

лей серии INTERELECTRO (AI) [4]. В подобных кор-

пусах выпускаются большинство маломощных двигателей общепромышленного назначения в России, Украине и Беларуси. Особенностью рассматриваемых машин 1.1 кВт/3000 об/мин, также является то, что они, согласно GOST R 51677-2000 (I), имеют высоту вращения 71 мм. Поэтому по отношению к размерам, установленным европейскими стандартами (CELENEC), двигатели INTERELECTRO могут рассматриваться как двигатели уменьшенных габаритов.

Заметим, что задача разработки двигателей малой мощности классов энергоэффективности IE2, IE3 и выше в габаритах CELENEC и GOST R 51677-2000 (I) на сего-

дняшний день для АД, без существенного увеличения стоимости, удовлетворительно не решается. Так, в [5] отмечается, что для двигателей АИР с типоразмером 132 и менее реализация класса энергоэффективности IE3 возможна только при изготовлении беличьей клетки ротора из медного сплава. Дополнительно требуется применение более дорогой стали 2412. В результате чего стоимость двигателя возрастает на 75 % [5].

Ввиду этого разработка СРД класса IE3 в габаритах АД серии INTERELECTRO с конструктивно простым и дешевым ротором (по сравнению с АД с медной беличьей клеткой) является актуальной и новой задачей.

I. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА

Рассматриваемый в работе образец СРД был спроектирован с номинальными характеристиками 1100 Вт/ 3,000 об/мин на базе статора АД АИР 71 B4, 750 Вт/ 1350 об/мин, с числом пазов на полюс и на фазу равным 3. В рассматриваемом АД используется литая алюминиевая клетка ротора. Заметим, что АИР (AI) является стандартным общепромышленным двигателем. Размеры магнитной системы АИР соответствуют размерам общепромышленных АД класса IE1. Также класс IE1 указывается на технической табличке этих двигателей. Высота оси вращения двигателя составляет 71 мм. Привязка мощности и установочных размеров двигателя соответствует варианту 1, согласно стандарту GOST R 51689-2000 “Rotating electrical machines. Asynchronous motors of power from 0,12 to 400 kW inclusive. General technical requirements”.

При изготовлении СРД статор, корпус статора, вал, система вентиляции и все остальные узлы, за исключением пакета ротора и обмотки статора, не были изменены в сравнении с конструкцией исходного АД. Пакет ротора СРД был установлен на вал вместо пакета ротора АД с беличьей клеткой. Пакет статора исходного АД изготовлен из стали марки Ст 2212 [6], 0,5 мм (B ≥ 1,6 Тл при H = 2500 А/м; удельные потери P1,5/50 ≤ 5,0 Вт/кг). Пакет ротора СРД был сделан из стали марки Ст 2412, 0,5 мм (B ≥ 1,5 Тл при H = 2500 А/м; удельные потери P1,5/50 ≤ 3,1 Вт/кг). Листы ротора были изготовлены путем электроэрозионного вырезания.

Рис. 1. Корпус разработанного образца СРД

Отметим, что использование для СРД того же самого статора, что и для АД, означает неоптимальность конструкции СРД [7]. Расчеты показывают, что при оптимальном внутреннем диаметре статора электрические и магнитные потери СРД могут быть снижены на 15 %, что увеличит КПД и удельные характеристики машины (удельные момент и мощность). Практика проектирования СРД показывает, что наилучшие энергетические характеристики могут быть достигнуты для 4-полюсной конфигурации машины [7]. По этой причине рассматриваемый образец СРД имеет 4 полюса и номинальную частоту, равную 100 Гц. В сравнении

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 348 -

сисходным АД число витков обмотки в пазу было уменьшено, а диаметр обмоточного провода был увеличен так, чтобы коэффициент заполнения паза медью остался тем же самым. Конструкция ротора СРД была оптимизирована с учетом параметров статора машины

спомощью FEM анализа. Также была проведена оптимизация конструкции с целью снижения пульсаций момента двигателя. В табл. 1 приведены характеристики сопоставляемыхдвигателей: серийногоАД(АИР71 А2) и разработанного СРД.

II. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

А. Описание экспериментальной установки

Для проведения экспериментального сравнения рабочих и энергетических характеристик рассматриваемых двигателей был разработан испытательный стенд, описание которого дано в этом разделе.

Для корректности сопоставления рассматриваемые двигатели получали питание от ПЧ одной и той же номинальной мощности 1,5 кВт. Для работы с серийным АД использовался стандартный промышленный ПЧ

«Emerson Unidrive M 701-034 00031 A». Для работы с образцом СРД использовался ПЧ «KSB PumpDrive 5001K50AH0SA2».

Управление АД с оптимальным КПД в широком диапазоне скоростей и моментов требует введения дополнительных обратных связей [8] и использования дорогостоящих ПЧ с дополнительными опциями. В наиболее же распространенных, относительно недорогих ПЧ для АД используется либо скалярное U/f управление в разомкнутом контуре, либо векторное управление с постоянством потокосцепления ротора. Причем лучшие энергетические свойства для ЭП насосов и вентиляторов достигаются в случае скалярного управления [8]. Поэтому

		Таблица 1
Конструктивные параметры двигателей
Двигатель	АИР71 B2	ОбразецСРД
Номинальнаямощность, Вт	1100	1100
Номинальнаяскоростьвращения, об/мин	2805	3000
Масса, кг	9.5	8.9
Длинапакетастатора, мм	78	78
Внешнийдиаметрпакетастатора, мм	118	118

Рис. 2. Вид экспериментальной установки

в ходе данной работы АД испытывался при регулировании по закону U/f = const.

В ПЧ, используемом для питания образца СРД, реализован бездатчиковый алгоритм управления СРД. Так что оба рассматриваемых двигателя испытывались без датчика положения.

Со стороны выходного конца вала испытуемый двигатель соединяется с валом датчика момента JC-0, 5 N·m (производитель Powerlink). Другой конец вала датчика момента соединяется с нагрузочной асинхронной машиной (двигатель АИР80B2, работающий в режиме рекуперации на сеть). Для измерения электрических величин используются датчики LEM (CV 3-1000, LA 25 NP). Сигналы с датчиков записываются с помо-

щью АЦП QMBox20-16.

В. Сравнительный анализ рабочих свойств СРД и АД электроприводов

Целью проводимых экспериментов был сравнительный анализ рабочих характеристик разработанного СРД и серийного АД, выполненных в одном и том же корпусе при работе на скорости 3000 об/мин с различными моментами нагрузки. Для этой цели были проведены опыты нагружения двигателей с использованием испытательного стенда, описанного выше. Длительные эксперименты были проведены в соответствии с [9].

На рис. 3 показаны сравнительные зависимости КПД испытуемых двигателей, полученные в эксперименте. Те же результаты представлены также в табл. 2 для конкретных значений мощности нагрузки.

В табл. 3 также приведены нормативные значения КПД для двигателей рассматриваемого номинала, согласно [1].

Исходя из данных табл. 2 и табл. 3, можно заключить, что в номинальном режиме прототип СРД удов-

Рис. 3. Измеренные величины КПД СРД и АД

				Таблица 2
	Измеренные значения КПД двигателей
	при номинальной скорости
Двигатель		ИзмеренныйКПД
	100 %	75 %	50 %	25 %
	нагрузки	нагрузки	нагрузки	нагрузки
АД	77,3	78,4	76,4	65,0
СРД	82,8	82,4	80,2	71,9
Разница	5,5	4,0	3,8	6,9

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 349 -

				Таблица 3
Требование к КПД двигателя для различных IE классов
Номинальные	КПД, необходимоедляопределенногоIE класса, %
величиныдвигателя	IE1	IE2	IE3	IE4
1,1 кВт, 3000 об/мин	75,0	79,6	82,7	85,2

Рис. 4. Измеренные величины фазного тока для АД и СРД

Рис. 5. Измеренные величины коэффициента мощности для АД и СРД

летворяет требованию класса IE3. Серийный асинхронный двигатель, изготовленный в том же корпусе, удовлетворяет лишь классу IE1.

На рис. 4 и 5 приведены также данные по величине тока и коэффициенту мощности рассматриваемых двигателей в различных нагрузочных режимах.

Из рис. 4 и 5 видно, что действующее значение фазного тока возросло у СРД в сравнение с АД, а коэффициент мощности уменьшился. В связи с этим закономерно ожидать некоторого снижения КПД преобразователя частоты [10]. На рис. 7 и 8 приведены экспериментальные данные КПД ПЧ и привода в целом.

По данным на рис. 7 и 8 видно, что некоторое снижение КПД ПЧ в номинальном режиме (1100 Вт) действительно имеет место. Вместе с тем оно не столь значительно в сравнении с увеличением КПД двигателя, и в целом КПД СРД привода оказывается в номинальном режиме на 5,1 % больше.

Токопотребление СРД и потери в ПЧ при той же нагрузке могут быть еще существенно снижены для данного образца при увеличении числа витков обмотки статора. В этом случае требуемое двигателем напряжение возрастет, а требуемый ток уменьшиться. Поэтому,

Рис. 6. Измеренные величины КПД ПЧ для АД и СРД

Рис. 7. Измеренные величины КПД привода (двигатель + ПЧ) для АД и СРД

				Таблица 4
	Результаты для температуры обмотки статора АД и СРД
	Длительныеусловия	Температура	Окружающая	Перегрев,
	работыдвигателя	обмотки, C°	температура, C°	C°
	СРД, 100 % момент,	68	20	48
	100 % скорость
	АД, 100 % момент,	99	20	79
	100 % скорость

если от привода не требуется большой перегрузочной способности, как, например, в насосном или вентиляторном приложениях, КПД двигателя и общий КПД привода могут быть увеличены еще более.

C. Перегрев обмотки статора АД и СРД

В ходе описанных выше длительных экспериментов фиксировались также показания термодатчиков, установленных в обмотку статора испытуемых двигателей. Использовались датчики температуры типа SENIES TP-01 (диапазон измерения до 400 °С, точность 0,75 % от диапазона ±2.5 °С). Температурное состояние двигателя считалось установившимся, если скорость нагрева обмотки статора была не выше чем 2 K в час [9]. В табл. 4 приведены величины температуры обмотки статора АД и СРД придлительнойработесноминальной нагрузкой.

В обмотке рассматриваемого серийного АД применяется изоляция класса нагревостойкости F (допустимая температура изоляции 155 °C). В обмотке образца СРД применяется изоляция класса B (допустимая температура изоляции 130 °C). При этом в номинальном режиме перегрев обмотки у СРД оказывается на 32 % меньше, чем у АД.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 350 -