ГОСТ Р 55136-2012 Машины электрические вращающиеся. Часть 25. Руководство по конструкции и характеристикам машин переменного тока, специально предназначенных для питания от преобразователей.
ГОСТ Р 55136-2012/
IEC/TS 60034-25:2007
Группа Е60
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МАШИНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВРАЩАЮЩИЕСЯ
Часть 25
Руководство по конструкции и характеристикам машин переменного тока, специально предназначенных для питания от преобразователей
Rotating electrical machines. Part 25. Guidance for the design and performance of a.c. motors specifically designed for converter supply
ОКС 29.160
Дата введения 2014-06-01
Предисловие
1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ") и Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении" (ВНИИНМАШ) на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного документа, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 333 "Вращающиеся электрические машины"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 ноября 2012 г. N 1108-ст
4 Настоящий стандарт идентичен международному документу IEC/TS 60034-25:2007* "Машины электрические вращающиеся. Часть 25. Руководство по конструкции и эксплуатационным характеристикам двигателей переменного тока, специально предназначенных для электропитания через преобразователь" (IEC/TS 60034-25:2007 "Rotating electrical machines - Part 25: Guidance for the design and performance of a.c. motors specifically designed for converter supply").
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)
1 Область применения
Объектом стандартизации являются особенности проектирования и характеристики электрических машин переменного тока, предназначенных для питания от преобразователей, параметры соответствия и взаимодействие между двигателем и преобразователем, включая правила монтажа и установки.
2 Нормативные ссылки
Представленные ниже документы необязательны при пользовании данным стандартом.
Из датированных ссылок используются только упоминаемые издания.
Из тех, которые не имеют даты выпуска, используются только последние издания (включая любые поправки).
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты*:
МЭК 60034-1:2004 Машины электрические вращающиеся. Часть 1. Номинальные значения параметров и эксплуатационные характеристики (IEC 60034-1:2004, Rotating electrical machines - Part 1: Rating and performance)
МЭК 60034-2-1:2007 Машины электрические вращающиеся. Часть 2-1. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия вращающихся электрических машин (за исключением машин для подвижного состава) (IEC 60034-2-1:2007, Rotating electrical machines - Part 2-1: Standards methods for determining losses and efficiency from tests (excluding machines for traction vehicles)
МЭК 60034-6:1991 Машины электрические вращающиеся. Часть 6. Методы охлаждения (код IС) (IEC 60034-6:1991, Rotating electrical machines - Part 6: Methods of cooling (IС code))
МЭК 60034-9:1997 Машины электрические вращающиеся. Часть 9. Предельные уровни шума (IEC 60034-9: 1997 Rotating electrical machines - Part 9: Noise limits)
МЭК 60034-14:1996 Машины электрические вращающиеся. Часть 14. Механическая вибрация некоторых видов машин с высотами вала 56 мм и более. Измерения, оценка и пределы вибраций (IEC 60034-14:1996 Rotating electrical machines - Part 14: Mechanical vibration of certain machines with shaft heights 56 mm and higher - Measurement, evaluation and limits of vibration)
МЭК 60034-17:1998 Машины электрические вращающиеся. Часть 17. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором при питании от преобразователей. Руководство по применению (IEC 60034-17:1998, Rotating electrical machines - Part 17: Cage induction motors when fed from converters - Application guide)
МЭК 61000-5-1:1996 Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 5. Руководящие указания по установке устройств защиты и подавлению помех. Раздел 1. Общие соображения. Основная публикация по электромагнитной совместимости (IEC 61000-5-1:1996, (Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 5: Installation and mitigation guidelines - Section 1: General considerations - Basic EMC publication)
МЭК 61000-5-2:1997 Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 5. Руководящие указания по установке устройств защиты и подавлению помех. Раздел 2. Заземление и прокладка кабеля (IEC 61000-5-2:1997, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 5: Installation and mitigation guidelines - Section 2: Earthing and cabling)
МЭК 61800-2:1998 Системы силовых электроприводов с регулируемой скоростью. Часть 2. Общие требования. Номинальные технические характеристики низковольтных систем силовых электроприводов переменного тока с регулируемой частотой (IEC 61800-2:1998, Adjustable speed electrical power drive systems - Part 2: General requirements - Rating specifications for low voltage adjustable frequency a.c. power drive systems)
МЭК 61800-3:1996 Системы электродвигательных электроприводов с регулируемой скоростью. Часть 3. Стандартные требования к электромагнитной совместимости продукции и специальные методы испытаний (IEC 61800-3:1996, Adjustable speed electrical power drive systems - Part 3: EMC requirements and specific test methods)
МЭК 61800-5-1:2007 Системы электродвигательных электроприводов с регулируемой скоростью. Часть 5-1. Требования к электрической, термической и энергетической безопасности (IEC 61800-5-1:2007, Adjustable speed electrical power drive systems - Part 5-1: Safety requirements - Electrical, thermal and energy)
МЭК 61800-5-2:2007 Системы электродвигательных электроприводов с регулируемой скоростью. Часть 5-2. Функциональные требования безопасности (IEC 61800-5-1:2007, Adjustable speed electrical power drive systems - Part 5-2: Safety requirements - Functional)
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применяются следующие термины и определения (в таблице 1 представлен указатель ссылок для 11 терминов).
Таблица 1 - Список терминов
|
|
Термин | Пункт |
Коэффициент напряжения в подшипнике (BVR) | 3.1 |
Соединение | 3.2 |
Синфазное напряжение (ток) | 3.3 |
Преобразователь | 3.4 |
Электромагнитная совместимость (ЕМС) | 3.5 |
Ослабление поля | 3.6 |
Время нарастания | 3.7 |
Электропривод (PDS) | 3.8 |
Защитное заземление | 3.9 |
Пропуск частотного окна | 3.10 |
Импеданс поверхностной передачи | 3.11 |
Примечание - Далее ссылки на следующие определения идентифицируются курсивным шрифтом.
3.1 коэффициент напряжения в подшипнике, BVR (bearing voltage ratio): Отношение напряжения емкостной связи в подшипнике к синфазному напряжению.
3.2 соединение (bonding): Электрическое соединение металлических частей установки между собой и с землей (эквипотенциальное соединение и заземление).
Примечание - Для целей настоящего стандарта это определение сочетает элементы МЭК 60050-195-01-10 (эквипотенциальное соединение) и МЭК 60050-195-01-16 (функциональное эквипотенциальное соединение).
3.3 синфазное напряжение (ток) (common mode voltage (current)): Среднее арифметическое фазных напряжений (токов) относительно земли.
3.4 преобразователь (converter): Устройство для электронного преобразования энергии с изменением одной или более ее электрических характеристик. Содержит одно или более электронных коммутационных устройств и присоединенных компонентов, таких как трансформаторы, фильтры, вспомогательные средства коммутации, управления, защиты и при необходимости вспомогательное оборудование для собственных нужд. [МЭК 61800-2, 2.2.1, измененный]
Примечание - Это определение взято из МЭК 61800-2 и для целей этой технической спецификации охватывает термины комплектный преобразователь (CDM) и базовый модуль преобразователя (BDM), как имеет место в МЭК 61800.
3.5 электромагнитная совместимость (electromagnetic compatibility), EMC: Способность оборудования или системы функционировать удовлетворительно в окружающей ее электромагнитной среде без привнесения недопустимых электромагнитных помех куда-либо в этом окружении. [МЭК 60050-161-01-07]
3.6 ослабление поля (field weakening): Режим работы двигателя, при котором его магнитный поток меньше, чем поток в номинальном режиме работы.
3.7 время нарастания (peak rise time): Временной интервал между 10% и 90% напряжения от нуля до максимума (см. рисунок 11).
3.8 электропривод (power drive system, PDS): Система, состоящая из силового оборудования (содержит преобразователь, двигатель переменного тока и другое оборудование, например сетевую секцию и др.) и приборов управления для подачи команд, контроля напряжения, частоты или тока, защиты, контроля состояния, коммуникаций, тестирования, диагностики, интерфейса и т.д.
3.9 защитное заземление (protective earthing, РЕ): Точка или точки заземления в системе или в установке или в оборудовании в целях электрической безопасности. [МЭК 60050-195-01-11, измененный]
3.10 пропуск частотного окна (skip band): Небольшой диапазон рабочих частот, где установившаяся работа системы силового электропривода запрещена.
3.11 импеданс поверхностной передачи (surface transfer impedance): Доля напряжения, индуцированного током центрального проводника коаксиальной линии, на единицу его длины на внешней поверхности коаксиальной линии. [МЭК 60050-161-04-15]
4 Характеристики электропривода
4.1 Общие положения
Хотя этапы определения специфических характеристик двигателя и преобразователя однотипны для любого применения, окончательный их выбор в значительной степени зависит от вида механизма. В данном разделе описаны эти этапы и рассмотрено влияние нагрузки различного типа.
4.2 Информация о системе
Лучшим способом обеспечить требуемую работу всей системы является учет всей информации о нагрузке электропривода, двигателе, преобразователе и системе электроснабжения. В общем случае эта информация должна включать:
- требования к мощности или к вращающему моменту на различных скоростях;
- желаемый диапазон частоты вращения и нагрузки двигателя;
- требования к темпам ускорения и замедления при управлении процессом;
- исходные требования, включая частоту пусков и параметры нагрузки (приведенную к двигателю инерционность, момент нагрузки во время пуска);
- рабочую циклограмму механизма (непрерывный процесс или комбинация пусков, остановок и изменений скорости (см. 3.1 МЭК 60034-1);
- общее описание объекта, включая окружающую среду, в которой будут работать компоненты электропривода;
- описание дополнительных функциональных возможностей, которыми могут не обладать двигатель и преобразователь (например: контроль температуры двигателя, возможность шунтировать преобразователь в случае необходимости, специальные схемы управления циклограммой работы или сигналы задания скорости для управления электроприводом);
- описание допустимой мощности источника электропитания и электропроводки.
На окончательную конфигурацию могут влиять требования к выбранной системе.
4.3 Механические характеристики момент-скорость
4.3.1 Общие положения
Типичные механические характеристики двигателей, питаемых от преобразователей, существенно влияющие факторы и последствия их влияния представлены на рисунках 1-3. В зависимости от требований к электроприводу, возможно применение различных двигателей для адаптации к конкретным условиям.
Примечание - На рисунках 1-3 не показаны возможные допустимые диапазоны (см. 4.3.7).
4.3.2 Характеристики момент-скорость
Рисунок 1 - Допустимая нагрузка в длительном режиме работы
В двигателях с естественным охлаждением при низких частотах вращения во избежание перегрева вращающий момент должен быть уменьшен.
В некоторых применениях возможно кратковременное повышение вращающего момента при пуске.
На рисунке 2 приведены соответствующие области допустимых значений выходного тока преобразователя (I).
Рисунок 2 - Допустимый выходной ток преобразователя
4.3.3 Ограничивающие факторы, влияющие на механическую характеристику
Существенные факторы, которые влияют на механическую характеристику (момент-скорость), представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Существенные факторы, влияющие на механическую характеристику
|
|
|
Условие | Двигатель | Преобразователь |
Трогание | Максимальный поток
Максимальный ток | Максимальный ток |
Постоянный поток | Охлаждение (потери  ) Максимальный ток | Максимальный ток |
Ослабление поля (уменьшенный поток) | Максимальная скорость (механическая прочность и устойчивость)
Максимальный вращающий момент (вращающий момент трогания) | Максимальное напряжение |
Динамическая характеристика | Эквивалентные параметры цепи (определенные моделированием) | Характеристика управления |
4.3.4 Возможность превышения скорости
Как определено в МЭК 60034-1, превышение скорости машин переменного тока возможно в 1,2 раза от максимальной номинальной скорости, но испытание на превышение скорости обычно не считают необходимым. Роль испытания, если оно задано и согласовано, состоит в том, чтобы проверить работоспособность конструкции ротора под действием центробежных сил. Хотя для нерегулируемого двигателя практически невозможно достичь рабочей скорости выше его синхронной, электрические генераторы могут быть разогнаны до скорости выше их синхронной скорости турбиной, например при внезапном отключении нагрузки.
Для электрических двигателей, питаемых от преобразователя, разгон до скорости выше максимальной, определенной системой управления преобразователем, невозможен.
Для сверхмощных синхронных двигателей зачастую целесообразно в общем случае ограничить проверочное превышение скорости на уровне 1,05 от максимальной рабочей скорости. Никакого технически оправданного аргумента против такого ограничения не имеется.
Примечание - Необходимо принять во внимание, что для обеспечения вращения на высокой скорости может потребоваться точная балансировка ротора. Кроме того, длительная работа на высокой скорости может стать причиной снижения срока службы подшипников. Для высокоскоростных приложений особое внимание также должно быть обращено на срок службы смазочных материалов и на периодичность их замены или пополнения.
4.3.5 Охлаждающие устройства
Как показано на рисунке 1, тип охлаждения влияет на уровень максимально допустимого вращающего момента электропривода. Для электрических машин с номиналами мощностей в диапазоне мегаватт часто применяют охлаждающие устройства, состоящие из первичного контура охлаждения (обычно с воздухом в качестве первичного хладагента) и вторичного контура охлаждения (с воздухом или водой в качестве вторичного хладагента). Потери передаются теплообменником от первичного ко вторичному контуру.
Когда первичный и вторичный хладагенты перемещаются отдельными устройствами и их поток не зависит от скорости ротора машины (например, IC656 согласно МЭК 60034-6), руководствуются кривой на рисунке 1 для независимого охлаждения.
Когда вторичный хладагент перемещается отдельным устройством, а первичный хладагент приводится в движение устройством, связанным с валом (например, IС81W или IC616), применяется кривая на рисунке 1 для самоохлаждения.
4.3.6 Характеристики напряжение - частота
Рисунок 3 - Характеристики выходное напряжение преобразователя - частота
На рисунке 3 обозначены характеристики для режимов:
D - повышение напряжения применяется при очень низких частотах, чтобы улучшить пусковую характеристику и предотвратить нежелательное увеличение тока.
Во всех этих случаях зависимость напряжение - частота может быть линейной или нелинейной, согласно требованиям характеристики вращающий момент - скорость нагрузки.
4.3.7 Диапазоны резонансной частоты вращения
Диапазон скорости питаемого от преобразователя двигателя может включать скорости, при которых может возникнуть резонанс в элементах статора двигателя, в системе вал двигателя - нагрузка или в приводимом в движение оборудовании.
В зависимости от типа преобразователя может быть обеспечена возможность пропустить резонансные частоты (пропуск частотного окна). Однако даже когда резонансные частоты пропущены, механизм будет ускоряться при прохождении через это окно частот (скоростей), если двигателю будет задан пуск на любую скорость выше данной скорости. Уменьшение времени ускорения может способствовать минимизации времени прохождения резонансных частот.
4.3.8 Рабочий цикл
4.3.8.1 Общие положения
Механизмы с циклическими нагрузками характеризуются присутствием периодических изменений скоростей или нагрузок (см. МЭК 60034-1). Этот тип механизмов предъявляет особые требования к двигателю и преобразователю.
Рассеяние тепла двигателем зависит от скорости вращения и способа охлаждения.
Иногда от двигателя может потребоваться вращающий момент, превышающий статический момент полной нагрузки. Работа двигателя с перегрузкой может потребоваться для разгона, преодоления пиков нагрузки, а также при интенсивном торможении. Работа двигателя с током выше номинального вызывает его перегрев. Это может потребовать более высокого класса изоляции двигателя или уточнения расчета циклограммы с учетом нагрева и охлаждения для данного применения (см. МЭК 60034-1, режим работы S10).
Для уменьшения скорости двигателя могут потребоваться торможение постоянным током, динамическое или рекуперативное торможение. Независимо от того, производит ли двигатель вращающий момент, чтобы привести в действие механизм, отдает ли энергию от нагрузки через в двигатель в преобразователь или создает тормозной момент для замедления посредством питания обмоток постоянным током, нагрев двигателя приблизительно пропорционален квадрату тока в обмотках. Этот нагрев должен быть включен в анализ цикла работы. Кроме того, кратковременный вращающий момент, приложенный к валу при торможении, должен контролироваться на уровне, не приводящем к механическим повреждениям.
Примечание - МЭК 61800-6 предоставляет информацию о режиме нагрузки и определении тока для всего электропривода.
4.3.8.2 Большие ударные нагрузки
Большие ударные нагрузки - особый случай работы, который имеет место в применениях с прерывистым вращающим моментом (например, МЭК 60034-1, режим работы S6). В этих случаях нагрузка прилагается или снимается с двигателя очень быстро. Вращающий момент нагрузки может быть как положительным (против направления вращения двигателя), так и отрицательным (в направлении вращения двигателя).
Ударная нагрузка приводит к быстрому увеличению или уменьшению требуемого тока (от преобразователя). Если вращающий момент отрицателен, двигатель может генерировать энергию в преобразователь. Переходные токи создают перенапряжения в обмотках статора. Величина этих переходных токов является функцией мощности преобразователя и двигателя.
4.4 Требования к двигателю
Примечание - Этот подпункт относится главным образом к асинхронным двигателям, но некоторые из требований могут также быть важными для двигателей других типов.
Таблица 3 содержит рекомендации по выбору двигателей для основных рабочих режимов.
Таблица 3 - Рекомендации по выбору двигателя
|
|
Типовые требования различных технологических процессов | Рекомендации по выбору двигателя |
Продолжительная работа на низкой скорости | Принудительное охлаждение.
При длительной эксплуатации подшипников на скорости ниже 10% от базовой необходимо их усиление, подтвержденное производителем |
Широкий скоростной диапазон | Необходимо независимое охлаждение.
(Независимая вентиляция или водяное охлаждение) |
Обратная связь по скорости | Меры предосторожности для механической связи.
Датчик скорости по возможности должен быть электрически изолирован |
Продолжительная работа на высокой скорости (ослабление потока) | Различные аспекты механической части.
Высокий критический момент (т.е. малое реактивное сопротивление рассеяния).
Постоянное / при  (см. рисунок 3) (см. рисунок 3) (см. рисунок 3) |
Питание от преобразователя для повышения КПД двигателя | Особая конструкция ротора (стержни ротора с низким коэффициентом вытеснения тока, см. 5.2). Может неблагоприятно повлиять на способность пуска от сети |
Пуски от сети или шунтирование на сеть | Конструкция ротора должна быть соответствующей. Следовательно, решение может и не быть оптимизировано в сторону уменьшения потерь и увеличения к.п.д. - необходимо компромиссное решение |
Высокий пусковой момент | Если возможно, на частотах, близких к нулю, необходимо увеличить поток на 10% - 40% (в зависимости от размера двигателя) |
Просадка напряжения на преобразователе | Выбор номинального напряжения двигателя с учетом компенсации просадки напряжения на преобразователе |
Многодвигательные системы с поддержанием скорости | Схожие механические характеристики двигателей |
Для более тонкой настройки преобразователя в некоторых применениях у производителя можно затребовать электрические параметры эквивалентной схемы замещения двигателя (таблица 4).
Таблица 4 - Параметры двигателя
|
|
|
|
|
|
Параметры | Описание/Разъяснение | Скалярное управление | Векторное или прямое управление моментом и потоком | ||
Максимальные значения | |||||
Максимальная скорость | - | Да | Да | ||
Максимальная температура обмоток двигателя | - | Да | Да | ||
Акустические параметры | |||||
Частоты, которые должен обойти преобразователь, чтобы избежать резонанса | - | Да, если присутствуют интервалы несущей частоты | |||
Механические параметры | |||||
Момент инерции | Применения, где необходимо высокое ускорение | Дополнительно | Дополнительно | ||
Требуемый момент трения вентилятора охлаждения в виде полинома  | Для промышленных применений, где требуется точное определение выходной механической мощности | Дополнительно | Дополнительно | ||
Электрические параметры Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя | |||||
Сопротивление статора (  ) | При рабочей температуре | Дополнительно для IR компенсации | Да | ||
Сопротивление ротора (  )* | При рабочей температуре | Дополнительно для развитого скалярного управления | Да | ||
Реактивное сопротивление статора (  ) | При номинальной частоте | Дополнительно для развитого скалярного управления | Да | ||
Реактивное сопротивление ротора (  )* | В номинальной рабочей точке, отличается от короткого замыкания ротора | Дополнительно для развитого скалярного управления | Да | ||
Индуктивное сопротивление цепи намагничивания (  ) | При основной частоте и номинальной рабочей точке | Дополнительно для развитого скалярного управления | Да | ||
Проводимость цепи намагничивания (  ) | При основной частоте и номинальной рабочей точке | Дополнительно для развитого скалярного управления | Да | ||
Проводимость цепи намагничивания в виде полинома | При ослаблении потока | Дополнительно для развитого скалярного управления | Да | ||
Поверхностный эффект ротора | Для точного определения гармони- | Дополнительно | Дополнительно | ||
Поверхностный эффект статора | ческих потерь и температурных перегрузок в применениях с быстрым токовым откликом и прецизионным управлением | Дополнительно | Дополнительно | ||
* Электрические параметры ротора ( ) и ( ) являются приведенными к цепи статора. | |||||
Для более точного температурного анализа или в применениях, где необходимо точное управление высоким моментом на низких скоростях, для разработчика может быть очень полезной информация о теплоемкости и сопротивлении компонентов двигателя. Эти параметры могут зависеть как от частоты вращения, так и от частоты коммутации.
5 Потери в асинхронных двигателях при питании от инверторов напряжения
5.1 Общие положения
Двигатели подключаются к выходу инверторов напряжения. Выходное напряжение имеет синусоидальный характер, при котором каждая полуволна представляет собой последовательность прямоугольных импульсов напряжения с крутым фронтом и почти постоянной амплитудой (двухуровневые инверторы снижают амплитуду изменений внутреннего напряжения постоянного тока).
При питании двигателя несинусоидальным напряжением кроме обычных потерь из-за основных гармоник напряжения и тока создаются дополнительные потери. Величина этих дополнительных потерь зависит от скорости, напряжения и тока, формы выходного напряжения преобразователя, а также конструкции и размеров двигателя. Для двухуровневых преобразователей в отсутствие различного рода фильтров эти потери могут составить 10-20% от основных потерь, т.е. от 1-2% от номинальной мощности двигателя. Однако их величина уменьшается с увеличением мощности самого двигателя. Для трехуровневых преобразователей дополнительные потери меньше: обычно от 0,2 до 1% от номинальной мощности.
При питании от преобразователя величина и характер дополнительных потерь зависят от конструкции двигателя, типа и параметров преобразователя, а также от используемых фильтров.
5.2 Источники дополнительных потерь при питании от инвертора и способы их устранения
Из-за пульсаций на выходе преобразователя полное сопротивление двигателя зависит от частоты. Потери в этом сопротивлении обусловлены в основном наличием поверхностного эффекта в проводниках (главным образом, в стержнях ротора, в некоторых случаях в проводниках статора), а также вихревыми токами в зонах потока рассеяния (особенно в листах магнитопровода).
Как показывает опыт, дополнительные потери, возникающие при питании двигателя от преобразователя, не зависят от нагрузки. Влияние насыщения (по току или по потоку) мало. Дополнительные потери из-за применения преобразователя могут быть минимизированы различными конструктивными мерами:
- применением ротора с меньшим коэффициентом поверхностного эффекта;
- применением обмотки статора с меньшим коэффициентом поверхностного эффекта;
- применением ротора с открытыми пазами;
- предотвращением коротких замыканий между листами ротора;
- уменьшением толщины листов статора и ротора для уменьшения потерь от вихревых токов;
- уменьшением потерь от вихревых токов посредством дросселей или фильтров.
5.3 Уменьшение потерь в двигателе с помощью преобразователя
5.3.1 Сокращение основных потерь
Рисунок 4 иллюстрирует величину потерь в двигателе (37 кВт, 50 Гц), который питается от источника синусоидального напряжения и от инвертора напряжения с частотой коммутации импульсов 5,5 кГц, в режиме холостого хода и при номинальной нагрузке. Можно видеть, что дополнительные потери при питании от источника с широтно-импульсной модуляцией малы по сравнению с основными потерями.
А - полная нагрузка, ШИМ питание; В - полная нагрузка, синусоидальное питание; С - без нагрузки, ШИМ питание; D - без нагрузки, синусоидальное питание
Главным преимуществом питания двигателя от преобразователя является возможность регулировки потока в зависимости от нагрузки (например, уменьшение потока при неполной нагрузке), благодаря чему снижаются основные потери, которые значительно выше дополнительных. Такая "оптимизация потока" часто используется в насосных и вентиляционных установках, для которых необходимый момент пропорционален квадрату скорости. При низких скоростях вращающий момент значительно меньше и поэтому может быть создан при более слабом потоке и, следовательно, с более низкими потерями в двигателе.
Тот же принцип используется при "непрерывном управлении коэффициентом мощности" в применениях, где момент и/или скорость нагрузки изменяются. Поток двигателя регулируется таким образом, чтобы текущий коэффициент мощности оставался оптимальным.
Основные потери могут быть также уменьшены изменением параметров промежуточного звена постоянного тока.
5.3.2 Сокращение дополнительных потерь
Дополнительные потери, обусловленные применением преобразователя, могут быть снижены посредством уменьшения гармонических составляющих выходного напряжения преобразователя:
- оптимизацией последовательности импульсов;
- увеличением частоты коммутации, при котором, как правило, дополнительные потери значительно снижаются при увеличении частоты пульсации на несколько кГц (рисунок 5). Однако с ростом частоты пульсации увеличиваются потери на коммутацию в преобразователе (см. рисунок А.1), в итоге сумма потерь минимальна при частоте в несколько кГц. Для преобразователей с релейным управлением или случайной частотой широтно-импульсной модуляции применяется усредненная частота коммутации, которая может зависеть от напряжения и тока;
- применением многоуровневого преобразователя.
5.4 Использование фильтров для снижения дополнительных потерь в двигателе при питании от преобразователя
Фильтры на выходе преобразователя используются для уменьшения амплитуды и производной напряжения, коммутируемого с высокой частотой, не влияя существенно на низкочастотное результирующее напряжение, подаваемое на двигатель. Общий эффект зависит от характера нагрузки и параметров двигателя и фильтра. Падение напряжения на фильтре уменьшает подводимое к двигателю напряжение, что должно быть принято во внимание во избежание увеличения основных токовых потерь в двигателе. Кроме того, в фильтре возникают потери, но они будут ниже, чем сокращение дополнительных потерь из-за питания от преобразователя. Таким образом, полный к.п.д. электропривода увеличивается.
Кроме сокращения дополнительных потерь в двигателе при питании от преобразователя такие фильтры содействуют уменьшению перенапряжений на обмотках двигателя, уменьшению пульсаций момента и улучшению электромагнитной совместимости ЭМС (см. 9.2). Однако динамика электропривода ухудшится, могут быть и другие ограничения из-за падения напряжения на фильтре.
5.5 Температура и ресурс
Основные и дополнительные потери, обусловленные нагрузкой двигателя и формой выходного напряжения преобразователя, преобразуются в тепло в обмотках двигателя. Причиной нагрева двигателя может быть ухудшение охлаждения в связи с изменением скоростного режима.
Есть несколько способов предотвратить этот эффект:
- использование системы независимого охлаждения, такой как IC0A6 или IC1A7 (см. МЭК 60034-6) для двигателя с воздушным охлаждением;
- использование изоляции более высокого класса нагрева (см. МЭК 60034-1);
- полная компенсация температуры окружающей среды (см. МЭК 60034-1);
- увеличение габаритов двигателя;
- оптимизация формы выходного напряжения преобразователя.
Примечание - Повышенные температуры могут затронуть не только изоляцию обмоток двигателя, но и качество смазывания подшипников и, следовательно, их ресурс.
Влияние переменной нагрузки и скорости на температуру обмоток двигателя характеризуется режимом работы, как описано в МЭК 60034-1. Самые подходящие режимы работы для двигателей, питаемых от преобразователя, - S1 и S10. Режим S1 предусматривает максимальную разрешенную температуру, тогда как S10 (работа с переменными нагрузкой и скоростью) допускает кратковременные температурные перегрузки, которые превышают температурный предел для этого теплового класса. Температурные пределы указаны в TS 60034-25 МЭК 60034-1, формула для вычисления теплового ресурса приведена в Приложении А настоящего стандарта.
5.6 Определение коэффициента полезного действия двигателя
Рекомендуемые методы для определения коэффициента полезного действия (к.п.д.) двигателя даны в МЭК 60034-2, но стандартная процедура его определения для двигателей, питаемых от преобразователя, пока не разработана. При необходимости к.п.д. двигателя должен быть измерен при синусоидальном питании и номинальной частоте или в соответствии с взаимным соглашением между изготовителем и пользователем. Для двигателей мощностью свыше 150 кВт предпочтителен метод суммарных потерь.
Точная оценка потерь холостого хода (включая дополнительные потери) должна производиться при тех же форме и частоте коммутации, которые преобразователь выдает при номинальной нагрузке.
6 Шум, вибрация и крутильные колебания
6.1 Шум
6.1.1 Общие положения
При работе преобразователя появляются три фактора, непосредственно определяющие уровень шума:
- изменение скорости вращения от близкой к нулю до превышающей номинальную; непосредственное влияние оказывают подшипники, их смазка, вентиляция, а также изменение температуры;
- частота и гармонический состав напряжения питания двигателя, оказывающие значительное влияние на магнитные шумы в сердечнике статора и в меньшей степени - на шум в подшипниках;
- торсионное и радиальное возбуждение в сердечнике статора из-за взаимодействия магнитных полей различной частоты в воздушном зазоре двигателя.
6.1.2 Влияние скорости на уровень шума
6.1.2.1 Подшипники скольжения
Уровень шума, производимого подшипниками скольжения, существенно не изменяется.
6.1.2.2 Подшипники качения
При работе двигателя на предельно высоких скоростях в допустимом диапазоне температура в подшипниках будет выше, чем на низких скоростях. Поэтому важно убедиться в том, что в конструкции заложены адекватный номинальный зазор и/или демпфирующий монтаж.
При низких скоростях для смазывания подшипников вполне пригодны консистентные смазки.
6.1.2.3 Вентиляционный шум
Уровень шума от вентилятора на валу приближенно соответствует характеристике, показанной на рисунке 6 (для скорости вращения до 50 м/с). Уровень шума снижается примерно до 15 дБ при снижении скорости на 50% и увеличивается примерно до 10 дБ при таком же увеличении скорости. Если электропривод нереверсивный, то эффективное сокращение шума может быть достигнуто благодаря использованию вентилятора с симметричными лопастями.
6.1.3 Шум от магнитного потока
Когда двигателем нужно управлять в широком скоростном диапазоне, резонанс неизбежен из-за переменной частоты питания. Этот эффект связан не со свойствами преобразователя, а с переменной частотой синусоидального напряжения питания.
Для двигателей, питаемых от преобразователя, нужно также учитывать влияние переменных в пространстве полей двигателя, вызванных гармониками токов статора и ротора. В связи с этим важно понять, что при проектировании электропривода достижение цели - создание оптимальных по уровню шума решений - невозможно без согласования действий разработчиков преобразователей и двигателей.
Использование прямоугольных импульсов при создании гармонического напряжения переменной частоты на выходе инвертора напряжения создает большое количество гармонических составляющих напряжения и, как результат, гармонических составляющих токов статора и ротора. Опыт показывает: при частоте коммутации импульсов меньше 3 кГц частоты гармонических составляющих могут быть близки к естественным частотам колебаний конструктивных элементов средних и больших двигателей, предназначенных для работы в широком диапазоне скоростей. В таких случаях практически неизбежны режимы резонанса в некоторых зонах скоростного диапазона (см. рисунок А.2).
Резонансные частоты для режимов r =0 и r =2 (рисунок 7) ниже 2,5 кГц для двух и четырех полюсных двигателей с высотой вала более 315 мм. Подчеркнем, что тенденция увеличения частоты преобразователя до 4-5 кГц и выше приведет к возможности появления резонанса и в существенно меньших двигателях.
Рисунок 7 - Режимы вибрации
При питании двигателя от преобразователя с широтно-импульсной модуляцией приращение шума по сравнению с уровнем шума в том же двигателе при питании от синусоидального источника является относительно небольшим (несколько дБ/А) для частоты коммутации выше 3 кГц. При более низких частотах коммутации увеличение шума может быть существенным (до 15 дБ/А). В некоторых современных преобразователях с широтно-импульсной модуляцией уже не используются фиксированные частоты коммутации, поэтому они являются источником широкого спектра дополнительных частот. Таким образом, рост уровня типичных и индивидуальных шумов двигателя может быть значительно ограничен.
Может возникнуть необходимость создания "частотного окна" в рабочем диапазоне скорости во избежание резонанса на определенных частотах в "окне".
6.1.4 Определение уровня шума и его пределы
6.1.4.1 Методы измерения
Уровни шума должны определяться в соответствии с МЭК 60034-9 (см. 6.1.4.2).
6.1.4.2 Условия проведения измерений
Двигатель должен быть жестко закреплен на поверхности, соответствующей эксплуатационной. Измерения должны быть проведены при питании двигателя от преобразователя, аналогичного реально используемому.
Для полной характеристики установки измерения могут быть проведены во всем диапазоне скоростей с целью определения максимального уровня шума. В заключение при тех же условиях необходимо произвести контрольные измерения.
Альтернативно, в соответствии с соглашением между изготовителем и клиентом, измерения можно выполнить без нагрузки при постоянной скорости, используя преобразователь или источник синусоидального напряжения.
6.1.4.3 Предельные уровни шума
Предельные уровни звукового шума определены в МЭК 60034-9, в таблице пункта 7 которого приведены значения ожидаемых приращений уровня шума двигателей, питаемых от преобразователя, относительно питания от синусоидального источника.
Эта таблица приведена в Приложении С настоящего стандарта.
6.2 Вибрация (без учета крутильных колебаний)
6.2.1 Основные положения
Уровень вибрации, производимой двигателем, питающимся от преобразователя, зависит от следующих факторов:
- конструкции электромагнитной системы двигателя;
- особенностей корпуса двигателя;
- крепления двигателя к основанию;
- жесткости вала;
- жесткости сцепления между валом двигателя и рабочим органом;
- формы выходного напряжения преобразователя.
При условии, что преобразователь имеет приемлемые выходные характеристики, а также при надлежащем состоянии механической части двигателя и его крепежа уровень вибраций, создаваемых этим двигателем, такой же, как при питании от синусоидального источника. Таким образом, для двигателей, питаемых от преобразователей с широтно-импульсной модуляцией, нет необходимости устанавливать уровни вибрации, отличающиеся от уровней, установленных для двигателей, питаемых от синусоидальных источников, и приведенных в МЭК 60034-14.
В МЭК 60034-14 приведены опытные пределы вибрации для двигателей, свободно установленных и жестко закрепленных. Полученные опытным путем графики отражают уровень вибрации, произведенный ни с чем не соединенным двигателем при определенных условиях его крепежа, а также отражающие его качество в целом. Когда двигатель является частью реальной установки, соединенной с рабочим органом, уровень вибрации будет иным.
Для двигателя, соединенного с рабочим органом, есть риск попадания в зоны механического резонанса при работе в широком скоростном диапазоне. Для решения этой проблемы можно запрограммировать контроллер так, чтобы частоты механического резонанса были "пропущены" (см. 4.3.7).
Поскольку множество факторов, влияющих на уровень вибрации, зависит от установки в целом, решение этой проблемы невозможно только на этапе выбора двигателя. Решение должно быть комплексным.
6.2.2 Определение уровня вибрации и его пределы
6.2.2.1 Метод измерения
Уровни вибрации должны определяться в соответствии с МЭК 60034-14 (см. 6.2.2.2).
6.2.2.2 Условия проведения измерений
Желательно жесткое закрепление двигателя на поверхности, соответствующей эксплуатационной. Измерения должны быть проведены при питании двигателя от преобразователя, аналогичного реально используемому.
Для объективной характеристики установки в целом измерения должны быть сделаны во всем диапазоне скоростей и нагрузок (см. Примечание 1) для определения условий максимального шума. Затем следует произвести контрольное измерение при этих же условиях.
Как вариант, при соглашении между изготовителем и потребителем, измерения можно выполнить без нагрузки при постоянной скорости, используя преобразователь или синусоидальный источник.
Примечание 1 - Следование этой рекомендации может значительно увеличить время испытаний, что требуется согласно МЭК 60034-14.
Примечание 2 - Для измерений на месте следует обратиться к рекомендациям ИСО 10816-3.
6.2.2.3 Предельные уровни вибраций
При проведении опыта в условиях, определенных в 6.2.2.2, вибрация, измеренная в корпусе подшипника, не должна превышать уровня А, приведенного в таблице 1 МЭК 60034-14.
6.3 Крутильные колебания момента
При питании двигателя от преобразователя на его валу возможно появление колебаний момента. Уровень и частота этих колебаний могут вызвать колебания момента в связанной механической системе в целом. Такая система должна быть тщательно проверена для предотвращения разрушающих механических резонансов.
При использовании инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией и частотой коммутации больше 2 кГц амплитуда значимых 6-й и 12-й гармоник колебаний момента всегда меньше 10% номинального вращающего момента.
Асимметрия выходного напряжения преобразователя предопределяет появление постоянной составляющей тока и токов обратной последовательности, следствием чего является появление 1-й или 2-й гармоники в колебаниях момента, что должно быть исключено. Должно быть принято во внимание, что постоянный ток ограничен только активным сопротивлением, а токи отрицательной последовательности - полным сопротивлением короткого замыкания. Поэтому малые напряжения асимметрии приводят к достаточно высоким асимметричным токам и, как следствие, к колебаниям момента. Эти колебания особенно опасны при попадании в частоту резонанса вала.
Колебания момента могут приводить к повреждениям из-за зазоров в редукторе, сцеплении или прочих соединениях вала, если передающие момент элементы механической части в состоянии разъединиться и совершить "обратный удар".
7 Перенапряжения на изоляции двигателя
7.1 Общие положения
При питании от преобразователя система изоляции двигателя находится под действием более высокого напряжения, чем при питании от источника синусоидального переменного тока.
7.2 Причины перенапряжений
Форма напряжения на выходе преобразователя с инвертором напряжения представляет собой прямоугольные импульсы постоянной амплитуды с переменными шириной и частотой. Амплитуда выходного напряжения преобразователя не превышает напряжения на звене постоянного тока преобразователя (является базовой 1 при оценке перенапряжений в относительных единицах). Этот уровень определяется величиной выпрямленного напряжения сети или величиной напряжения при торможении или регулируемым напряжением для коррекции коэффициента мощности.
Время нарастания напряжения на выходе современных низковольтных преобразователей может составлять 50-400 нс. Эти отрезки времени сделаны короткими, насколько это возможно, чтобы минимизировать коммутационные потери в полупроводниках. Такие преобразователи могут создавать перенапряжения на обмотках двигателя, которые способны существенно уменьшить ресурс системы изоляции, если их величина превышает допустимый для системы уровень перенапряжения. На рисунке 8 показана совокупность пиков напряжения на клеммах двигателя, питаемого от инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, которые измерены при различных эксплуатационных режимах. Как видно, зависимость между количеством пиков, их величиной и временем роста импульса довольно сложна. Однако риск повреждения изоляции (из-за частичного разряда, см. 7.3 и 7.4) в основном обусловлен пиками с высоким напряжением и коротким временем его нарастания, которые расположены в правой части представленной ниже диаграммы.
Рисунок 8 - Диаграмма перенапряжений на клеммах двигателя при питании от ШИМ преобразователя
В зависимости от времени нарастания напряжения импульсов на выходе преобразователя, от длины кабеля и полного сопротивления двигателя амплитуды перенапряжения на клеммах двигателя могут достигать двухкратных значений относительно линейного и фазного напряжений. Эти перенапряжения создают отраженные волны в кабеле между клеммами преобразователя и двигателя в соответствии с их сопротивлениями. Амплитуда перенапряжений зависит от формы выходного напряжения преобразователя, длины кабеля между преобразователем и двигателем и от сопротивлений двигателя. Данное явление количественно описывается с учетом гармонического состава выходного напряжения. При уменьшении длительности фронта импульсов выходного напряжения преобразователя увеличиваются частоты гармоник, присутствующих в кривой напряжения.
Типичные импульсы напряжения, измеренные на выходе преобразователя и на клеммах двигателя, приведены на рисунке 9. На рисунке 10 представлены передние фронты импульсов этих напряжений в увеличенном масштабе времени.
С - фазное напряжение преобразователя; М - фазное напряжение двигателя
Рисунок 9 - Типичные импульсы напряжения в одной фазе преобразователя и на клеммах двигателя (2 мс/деление)
С - фазное напряжение преобразователя; М - фазное напряжение двигателя
Рисунок 10 - Передние фронты импульсов напряжения с малым временем нарастания (см. рисунок 9, 1 мкс/деление)
При увеличении длины кабеля импульсное перенапряжение обычно увеличивается до максимума, а затем уменьшается. При этом время нарастания импульсов напряжения на клеммах двигателя увеличивается. При малом времени нарастания импульсов выходного напряжения преобразователя и длинах кабеля от 20 до 50 м (в зависимости от типа кабеля и других факторов) время нарастания импульса напряжения на клеммах двигателя определяется главным образом характеристиками кабеля и рассогласованием сопротивления кабеля и двигателя, а не временем переднего фронта импульса в преобразователе.
Пики перенапряжения уменьшаются, когда преобразователи установлены близко от подключенных двигателей и длина кабеля между преобразователем и двигателем мала.
Пиков напряжения нет, если преобразователь соединен с двигателем так, что длина кабеля между ними не более 10 см.
Высокие пики перенапряжения (более чем в 2 раза) могут создаваться преобразователями при следующих условиях.
- Двойной переход происходит, например, если одна фаза переключается с минуса на плюс шины напряжения постоянного тока в тот момент, когда другая фаза переключается с плюса на минус. Это вызывает увеличение напряжения, приложенного к двигателю, что может привести к более чем двукратному превышению напряжения на его клеммах.
- Если время между двумя импульсами превышает время распространения волны между преобразователем и двигателем, перенапряжение на клеммах двигателя может превышать двукратное значение.
- Если кабель состоит из нескольких секций, могут произойти внутренние резонансы в зависимости от сопротивлений участков линий, что может потребовать принятия специальных мер.
7.3 Перенапряжение в обмотках
Перегрузка изоляции обмоток двигателя обусловлена пиковым значением и временем нарастания импульсов напряжения на клеммах двигателя (рисунок 11) и частотой импульсов, вырабатываемых инвертором.
Рисунок 11 - Определение времени нарастания импульса напряжения на клеммах двигателя
Одна часть перегрузки обусловлена уровнем напряжения, приложенного к основной изоляции (между фазами или между фазой и землей) катушек обмотки. Другая часть ограничена внутренней межвитковой изоляцией и обусловлена временем нарастания импульсов. Импульсы с коротким фронтом приводят к напряжению, неравномерно распределяемому по объему катушек, при его высоком уровне в пределах нескольких первых витков фазной обмотки.
Полная версия документа доступна с 20.00 до 24.00 по московскому времени.
Для получения доступа к полной версии без ограничений вы можете выбрать подходящий тариф или активировать демо-доступ.