- Форма пазов ротора. Вследствие «мягкого» частотного пуска на роторе не требуются глубокие пазы. При проектировании таких двигателей вообще не следует ставить задачу обеспечения кратностей пускового и максимального моментов, ибо они получаются автоматически в замкнутой системе регулирования.
Управляя частотой и напряжением, можно регулировать не только скорость вращения, но и скольжение, т.е. минимизировать потери в роторе. А векторное управление позволяет поддерживать такую величину реактивной составляющей тока статора, при которой коэффициент мощности и КПД наибольшие.
Вообще, если оптимально спроектировать машину для частотного регулирования, у нее можно получить на 25% большую мощность, чем у обычной того же объема, либо уменьшить объем при той же мощности. Соотношение активных материалов перераспределяется в сторону увеличения проводниковых.
Глубокие пазы в серийном АД имеют на 15-25% избыточной площади при работе в установившемся номинальном режиме. Этот резерв в частотно-регулируемом приводе можно использовать для уменьшения активного сопротивления ротора, т.е. и рабочего скольжения, и индуктивного сопротивления рассеяния (для увеличения полезного момента). Более широкие пазы имеют на 15-25% меньшую индуктивного рассеяния.
- Число пар полюсов. Скорость вращения производственного механизма определяется частотой питания двигателя, количеством его пар полюсов и передаточным чистом редуктора. Требуемую скорость вращения можно обеспечить при различных сочетаниях этих трех величин. При поиске оптимального должны учитываться:
• диапазон регулирования частоты и стоимость ПЧ;
• целесообразность использования редуктора и его стоимость;
• стоимость АД и потребляемой энергии за время эксплуатации привода.
Современные единые серии АД имеют машины с максимальным числом полюсов – 12.
Есть попытки изготовления АД для частотно-регулируемого привода лифта и рольгангов с 20 парами полюсов. Наверное, рекордное для АД с короткозамкнутым ротором количество полюсов 32 имеют машины Сафоновского электромашиностроительного завода на мощности 30 и 75 кВт. Только благодаря завышенной массе (1,9 и 2,7 т соответственно) у них приемлемые энергетические показатели: cos ф = 0,57-0,65, КПД 84-88%.
- Номинальное напряжение двигателя. Известно, что если в регулируемом приводе серийный двигатель, без специальных мер ему зачастую не достает напряжения на выходе ПЧ. Следовательно, с целью упрощения системы логично предположить, что двигатель для комплектного частотного привода может быть рассчитан на нестандартное напряжение основной гармоники на выходе ПЧ.
Оптимальную величину этого напряжения должны рекомендовать специалисты по преобразовательной технике. Похоже, что только консерватизм и недостаток экономических расчетов до сих пор не позволяют электромашиностроителям выпускать двигатели на нестандартные напряжения.
- Синусоидальность напряжения и тока двигателя. Считается, что ПЧ тем лучше, чем большую синусоидальность напряжения или тока в двигателе он обеспечивает. Это требование опять же идет от серийных двигателей, в конструкциях которых предусматривается ряд мер, обеспечивающих синусоидальность поля в воздушном зазоре (распределение обмотки по пазам, укорочение ее шага и скос пазов, а в СД еще и профилирование полюсов). А нужно ли все это делать в частотно-регулируемых машинах и обязательна ли для них синусоидальность тока? Исследования дают на это отрицательные ответы.
Это сразу ставит проблему оптимизации обмоток статора частотно-регулируемых двигателей, критерии проектирования которых должны отличаться от традиционных.
Использование обмоток характеризует коэффициент совместимости, под которым понимается отношение средних плотностей энергии поля в зазоре за период изменения тока при чисто гармонических временных и пространственных функциях, и с учетом обоих типов гармоник.
Существуют такие сочетания временных и пространственных кривых, при которых использование обмотки не уступает синусоидальным. Поиски в этом направлении еще далеко не исчерпаны.
- Охлаждение. Из-за низкой эффективности собственных вентиляторов при работе на малых частотах двигатели должны или, должны быть снабжены автономными вентиляторами-наездниками со своим приводом. Это необходимо для охлаждения как активных частей, так и подшипников.
- Перенапряжения. ШИМ-коммутация современных ПЧ вызывает волновые переходные процессы и импульсные перенапряжения в системе ПЧ-двигатель.
Характер процессов и величина перенапряжений зависят от крутизны фронтов питающих импульсов, индуктивных и емкостных параметров системы.
Неблагоприятная величина перенапряжений в обмотке статора достигает двойного значения амплитуды поступающих импульсов и даже больше.
Для защиты от них надо не только использовать фильтры, но и усиливать изоляцию хотя бы начальных витков обмотки, правильно выбирать длину и конструкцию кабеля между ПЧ и двигателем, заземления.
Высокочастотная коммутация в ПЧ обусловливает появление подшипниковых токов в двигателе, природа, вредные последствия (повышенный износ подшипников) и способы борьбы с которыми еще требуют исследования. Некоторые фирмы (например ABB) уже предлагают использовать в частотно-регулируемых АД подшипники с изолированным внутренним или наружным кольцом, с керамическими шариками и другие меры. Подшипники с диэлектрическим покрытием выпускаются и в России.
- Подшипники. Если двигатель будет работать в зоне очень высоких скоростей вращения, этим условиям должны соответствовать его подшипники, их смазка, уплотнения и балансировка ротора.
- Шумы и вибрации. Вентиляционный шум двигателей имеет две составляющие: аэродинамическую и структурную (от механических вибраций). При регулировании скорости вращения виброакустические показатели, естественно, изменяются, причем в диапазонах низких скоростей превалирует структурная, а высоких – аэродинамическая.
Значения скоростей и величины диапазонов зависят от числа полюсов двигателя. Разработчики и производители в разной мере учитывают рассмотренные выше особенности регулируемых двигателей переменного тока, хотя все допускают использование в частотных приводах обычных серийных машин с понижением их номинальной мощности в среднем на 15%.
|