Mechanical power of induction motors with non-sinusoidal power supply

Abstract

When induction motors are powered by solid-state voltage and frequency converters, the torque on the shaft is created by the first harmonic of the current, and the higher harmonics of the cur-rent only create losses in the stator winding. The purpose of the work is to develop a methodology for determining the permissible mechanical load of asynchronous motors at non-sinusoidal currents. To achieve this goal, it is necessary to determine the influence on the mechanical power of the motor of higher current harmonics, the effective values of which depend on the control parameters of semicon-ductor voltage and frequency converters. For quantitative assessment of their influence on mechanical power, it is proposed using the current harmonic coefficient as a generalized parameter as the ratio of the sum of the effective values of higher current harmonics to the effective value of the first harmonic. As a result of researches, the expression for calculation of the coefficient of admissible mechanical load of the motor concerning a nominal value taking into account the coefficient of current harmonics is received. Scientific novelty: for the first time, the analytical expression for determining the coeffi-cient of permissible mechanical load of induction motors powered by semiconductor converters of voltage and frequency using the current harmonic coefficient is obtained. Practical significance: the proposed methodology allows checking the selected induction motor for heating when supplied from semiconductor converters of voltage and frequency for a given mechanical power of the working mechanism.

În cazul în care motoarele cu inducție sunt alimentate de convertoare de tensiune și frecvență în stare solidă, cuplul pe arbore este creat de prima armonică a curentului, iar armonicile mai mari ale curentului creează doar pierderi în înfășurarea statorului. Scopul lucrării este de a dezvolta o metodologie pentru determinarea sarcinii mecanice admisibile a motoarelor asincrone la curent nesinusoidal. Pentru a atinge acest scop, este necesar să se determine influența asupra puterii mecanice a motorului a armonicilor de curent superioare, ale căror valori efective depind de parametrii de control ai convertoarelor de tensiune și frecvență semiconductoare. Pentru evaluarea cantitativă a influenței lor asupra puterii mecanice, se propune utilizarea coeficientului armonic de curent ca parametru generalizat ca raport dintre suma valorilor efective ale armonicilor de curent superioare la valoarea efectivă a primei armonici. În urma cercetărilor se primește expresia de calcul al coeficientului de sarcină mecanică admisibilă a motorului privind o valoare nominală ținând cont de coeficientul armonicilor de curent. Noutate științifică: se obține pentru prima dată expresia analitică pentru determinarea coeficientului de sarcină mecanică admisă a motoarelor cu inducție alimentate de convertoare semiconductoare de tensiune și frecvență folosind coeficientul armonic de curent. Semnificație practică: metodologia propusă permite verificarea motorului cu inducție selectat pentru încălzire atunci când este alimentat de la convertoare semiconductoare de tensiune și frecvență pentru o putere mecanică dată a mecanismului de lucru.

При питании асинхронных двигателей от полупроводниковых преобразователей напряжения и частоты крутящего момента на валу создается первой гармоникой тока, а высшие гармоники тока лишь создают потери в обмотке статора. Поэтому при номинальной механической нагрузке двигателя потребление электрической мощности превышает номинальное значение, и двигатель перегревается. Для обеспечения номинального температурного режима необходимо уменьшать механическую нагрузку двигателя относительно номинальной. Целью работы является разработка методики определения допустимой механической нагрузки асинхронных двигателей при несинусоидальных токах. Для достижения поставленной цели необходимо определить влияние на механическую мощность двигателя высших гармоник тока, действующие значения которых зависят от параметров управления полупроводниковыми преобразователями напряжения и частоты. Для количественной оценки их влияния на механическую мощность предложено в качестве обобщенного параметра использовать коэффициент гармоник тока, как отношение суммы действующих значений высших гармоник тока к действующему значению первой гармоники. В результате исследований получено выражение для расчета коэффициента допустимой механической нагрузки двигателя относительно номинального значения с учетом коэффициента гармоник тока. Методика определения допустимой механической нагрузки асинхронных двигателей при несинусоидальном питании заключается в следующем: на компьютерной модели асинхронного электропривода с полупроводниковыми преобразователями напряжения или частоты для заданных параметров управления определить коэффициент гармоник тока статора, коэффициент допустимой механической нагрузки относительно номинальной и численное значение допустимой механической нагрузки на валу. Научная новизна: впервые получено аналитическое выражение для определения коэффициента допустимой механической нагрузки асинхронных двигателей при питании от полупроводниковых преобразователей напряжения и частоты с использованием коэффициента гармоник тока. Практическая значимость: предложенная методика позволяет проверить выбранный асинхронный двигатель на нагрев при питании от полупроводниковых преобразователей напряжения и частоты для заданной механической мощности рабочего механизма.