Спосіб оцінки енергоефективності роботи асинхронного електродвигуна

Спосіб оцінки енергоефективності роботи асинхронного електродвигуна, що включає вимірювання сигналів струмів і напруг статора двигуна, визначення поточного або інтегрального коефіцієнта корисної дії системи як функції корисної роботи, який відрізняється тим, що на основі сигналів 3 системи як функції корисної роботи, яка, в свою чергу, кількісно визначається на стику робочий орган - фізичний процес при даній технології, а не як енергоємність цільового фізичного процесу взаємодії робочого органу і об'єкту, що не залежить від структури і параметрів енергетичного каналу. Недоліком наведеного способу є те, що він не є чітко визначеним для застосування його в процесі аналізу конкретного обладнання, такого, як асинхронний двигун. Він не передбачає чіткого механізму визначення втрат і корисної потужності в поточному режимі роботи. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення ефективності систем оцінки енергетичних показників АД і показників якості перетворення енергії. За допомогою запропонованого способу вирішується завдання спостережуваності АД для аналізу його технічного стану й енергетичної ефективності його роботи на основі показників якості перетворення енергії, що може виконуватись навіть в процесі поточної експлуатації без вилучення двигуна з технологічного процесу За способом, що заявляється, АД через перетворювач підключають до джерела промислової частоти та вимірюють миттєві значення напруги та струму статорного ланцюга. За даними вимірів розраховують миттєві значення усіх координат двигуна, які характеризують енергетичний режим роботи АД. За результатами аналізу отриманих даних та порівняння їх з паспортними роблять висновок щодо ефективності процесу перетворення енергії у двигуні та технічного стану АД. Запропонований спосіб ілюстрований фігурою, де наведена блок-схема алгоритму для його реалізації. На фігурі прийняті позначення: 1 - асинхронний двигун (АД), 2 - блок датчиків струму (БДС), 3 - блок датчиків напруг (БДН), 4 - блок отримання фазних напруг статора АД, 5 - блок отримання фазних струмів статора АД, 6 - блок обчислення ортогональних складових трифазних струму і напруги, 7 - блок обчислення кута між векторами напруги та струму, 8 - блок обчислення похідних потокозчеплень фаз, 9 - блок обчислення електрорушійних сил в зазорі АД, 10 - блок обчислення споживаної із джерела миттєвої потужності, 11 - блок обчислення втрат в міді статора, 12 блок обчислення втрат в сталі, 13 - блок обчислення електромагнітної потужності, 14 - блок обчислення електромагнітного моменту, 15 - блок обчислення кутової частоти обертання вала двигуна, 16 - блок обчислення моменту на валу двигуна; 17 - блок обчислення коефіцієнта потужності двигуна, 18 - блок обчислення ККД статора, 19 блок обчислення ККД ротора, 20 - блок обчислення ККД двигуна. Спосіб реалізується наступним чином. Знімаються дані з блоків 2 та 3 і, за допомогою наведеного алгоритму, визначаються усі координати АД, які описують енергетику процесу перетворення енергії в АД. При підсумовуванні миттєвих потужностей всіх фаз одержуємо миттєву активну потужність [10] трифазної системи: Р1(t)=uA(t)·iA(t)+uB(t)·iB(t)+uС(t)·iС(t) (1) 43988 4 де іА, іВ, іС - фазні струми статора АД відповідно, uА, uB, uC - фазні напруги статора АД відповідно. Миттєвий коефіцієнт потужності розраховується шляхом попереднього переходу від трифазної системи напруг і струмів до ортогональної системи [6, 7]: - вектори на осі Х 2 1 1 Ux = Ua - UB - UC , 3 Ix = 3 3 (2) 1 1 2 Ia - IB - IC 3 3 3 - вектори на осі У 1 Uy = Iy = 3 1 3 UB IB 1 3 1 3 UC , (3) IC æ Uy ö æ Iy ö ÷ ç ÷ j = arctgç (4) ç U ÷ - arctgç I ÷ è xø è xø Виходячи з рівнянь електричного балансу для статора визначаються похідні потокозчеплень фаз [11]: ì dYA (t ) ï dt = u A (t ) - iA (t )R A ; ï ï dYB (t ) ) = uB (t ) - iB t(RB ; í ï dt ï dYC (t ) = uC (t ) - iC (t )RC; ï î dt (5) де ΨА, ΨВ, ΨС - потокозчеплення фаз статора АД, RA, RB, RС - активні опори фаз статора АД відповідно. Втрати в сталі визначаються величиною магнітного потоку в зазорі АД [9, 12], або його аналога ЕРС у зазорі, що визначається на основі електричної схемі заміщення: dYA (t ) di A (t ) ì ïe A (t ) = dt - L A dt ; ï dYC (t ) di (t ) ï - LC C ; íeC (t ) = dt dt ï ï dYC (t ) diC (t ) - LC ; ïeC (t ) = dt dt î (6) де eA, eB, eС - електрорушійна сила в зазорі АД по фазам відповідно, LA, LB, LC - індуктивності обмоток статора АД відповідно: ( ) 2 (7) Dpcm (t ) = k cm × e2 (t ) + eB (t ) + e2 (t ) A C Розрахунок ЕРС у зазорі потребує розрахунку похідних струмів і наявності інформації про значення індуктивностей розсіювання статора з урахуванням їх відмінності при несиметрії електричної машини. Коефіцієнт kсò вважається постійним і визначається на холостому ходу шляхом зіставлення із втратами у сталі в статичному режимі, отриманими за допомогою відомих методів. Втрати в міді статора [11] розраховуються за формулою: 2 2 (8) pì1(t ) = i2 (t ) × RA + iB (t ) × RB + iC (t ) × RC A На основі отриманих обчислень визначаємо електромагнітну потужність [13]: pýì(t)=p1(t)-pì1(t)-∆pñò (9) Або 5 ö æ dYA (t ) × iA ( t )Rs + ÷ ç ÷ ç dt ÷ ç dYB (t ) pýì(t) = ç + × iB ( t )R s + ÷ - Dpñò × (t ) dt ÷ ç ÷ ç dYC (t ) × iC ( t )Rs ÷ ç+ dt ø è 43988 mâ (t ) = (10) Розрахунок електромагнітного моменту й моменту на валу [14] можна робити або на основі аналізу споживаної потужності й втрат потужності в статорі або на основі похідних потокозчеплень: p ýì (t ) m ýì = (11) w0 Або mýì = é(YC (t ) - YB (t )) × iA (t ) + ù 2 ê ( +ú ê+ (YA (t ) - YC (t )) × iB t ) ú 3ê ú ë+ (YB (t ) - YA (t )) × iC t( ) û (12) де ω0 - швидкість холостого ходу двигуна. Використовуючи розрахований електромагнітний момент розраховуємо кутову частоту обертання двигуна [15] непрямим методам, при цьому момент навантаження розраховується як середнє значення електромагнітного моменту в сталому режимі: 1 w(t ) = × m ýì (t ) - mi (t ) (13) J ò де J - момент інерції двигуна, mi - момент опору на валу двигуна. За допомогою миттєвих значень швидкості розраховуємо момент і потужність на валу АД [16]. При непрямому розрахунку швидкості обертання АД другий метод дає кращий збіг з експериментальною кривою за критерієм середньоквадратичного відхилення: Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 6 p ýì (t ) - Dmi åõ (14) w(t ) де ∆m ì åõ - момент, обумовлений механічними втратами. Визначається коефіцієнт потужності двигуна [17]. Запропоновано розрахунок миттєвих значень ККД електричної машини в цілому й декомпозиція показника ККД на ККД статора й ККД ротора відповідно до конструктивної структури AM. Для ККД статора [18], як споживана потужність, береться потужність, споживана з мережі p1(t), а в якості корисної - електромагнітна потужність рýì(t), передана через зазор від статора ротору: p (t ) - pì1(t ) - Dpñò (t ) hñò = 1 (15) p1(t ) Для розрахунку ККД ротора [19], як споживана потужність, використовується рýì(t), а в якості корисної - потужність на валу pâ(t)=mâ(t)·ω(t): m (t)·w(t) hp = â (16) p ýì (t ) Тоді ККД двигуна [20]: m (t)·w(t) h= â = hñò × hp (17) p1(t ) Використовуючи усі побудовані криві, та порівнюючи їх з паспортними, можна робити висновок про наявність пошкоджень у двигуні, а також про доцільність заміни його на новий. Запропонований метод може бути покладений в основу створення систем компенсації конструктивної й параметричної несиметрії АД й оптимізації режимів енергоспоживання на основі частотнорегульованого електропривода. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601