Refined calculation of energy modes of a frequency-regulated induction motor

Abstract

To obtain analytical dependencies for the precise calculation of the stator current of a frequency-regulated three-phase short-circuited induction motor and to estimate the components of its main electrical power losses, which are spent on the transportation magnetic power losses (to the magnetization circuit) and additional power losses (through the motor air gap), as well as with using the obtained refined dependencies to research the electromagnetic processes and energy modes of the frequency-regulated induction motor when its speed and load change. Methodology. The method of generalized vectors is used for the refined calculation of the electromagnetic processes and energy modes of the frequency-regulated induction motor. Results. Based on the catalog data and parameters of the induction motor’s equivalent replacement circuit, also the specified values of its useful rotational torque and speed, refined analytical dependencies were obtained for the calculation of the main electromagnetic power losses of the frequency-regulated induction motor, which take into account the influence of all types of power losses, which present in it, as well as – power losses spent on transporting magnetic losses (to the magnetization circuit) and additional losses (through the air gap of the motor). With the help of the obtained dependencies, the energy modes (including main power consumption and electromagnetic power losses, efficiency factor, power factor) of the frequency-regulated induction motor in the driving and generator modes of its operation in relation to the first (at speeds not higher than the nominal) and the second (at speeds above the nominal) speed control zones for the operating ranges of the motor useful rotational torque and speed changes were calculated. Originality. A refined analytical calculation dependence has been obtained for determining the active projection of the generalized stator current vector of a frequency-regulated induction motor, which takes into account the presence of additional power losses and the component of electrical losses caused by the transportation of additional power losses through the air gap of the motor; an analytical dependence is also proposed for determining the increment of the mentioned active projection, which is due to the transportation of magnetic power losses to the motor magnetization circuit. Practical value. Analytical calculation dependencies are proposed for the quantitative assessment of errors (as a percentage of mentioned values) in steady-state modes for determining the main electromagnetic power losses of the frequency-regulated induction motor, caused by the absence (in comparison with relevant studies from known publications) of taking into account additional and magnetic power losses, as well as – the influence of electrical component losses caused by the transportation of the mentioned power losses through the air gap or to the magnetization circuit of the motor, respectively.

Отримати аналітичні залежності для уточненого розрахунку статорного струму частотно-регульованого трифазного короткозамкненого асинхронного двигуна і оцінити складові його основних електричних втрат потужності, котрі викликані транспортуванням магнітних втрат потужності (до контуру намагнічування) і додаткових втрат потужності (через повітряний проміжок двигуна), а також дослідити з використанням отриманих уточнених залежностей усталені електромагнітні процеси й енергетичні режими частотно-регульованого асинхронного двигуна при зміні його швидкості та навантаження. Методологія. При уточненому розрахунку електромагнітних процесів та енергетичних режимів частотно-регульованого асинхронного двигуна застосовано метод узагальнених векторів. Результати. Виходячи з каталожних даних та параметрів еквівалентної схеми заміщення асинхронного двигуна, а також заданих значень його корисного обертового моменту та швидкості, отримані для розрахунку основних електромагнітних втрат потужності частотно-регульованого асинхронного двигуна уточнені аналітичні залежності, в яких враховується вплив усіх видів присутніх у ньому втрат потужності, а також – втрат потужності, що викликані транспортуванням магнітних втрат (до контуру намагнічування) та додаткових втрат (через повітряний проміжок двигуна). За допомогою отриманих залежностей були розраховані енергетичні режими (у тому числі – основні споживана потужність та електромагнітні втрати потужності, коефіцієнт корисної дії, коефіцієнт потужності) частотно-регульованого асинхронного двигуна при двигуневому та генераторному режимах його роботи стосовно першої (при швидкостях не вище номінальної) і другої (при швидкостях вище номінальної) зон регулювання швидкості для робочих діапазонів зміни корисного обертового моменту і швидкості двигуна. Наукова новизна. Отримано уточнену аналітичну розрахункову залежність для визначення активної проекції узагальненого вектора статорного струму частотно-регульованого асинхронного двигуна, в котрої враховується наявність в ньому додаткових втрат потужності та складової електричних втрат, яка викликана транспортуванням додаткових втрат потужності через повітряний проміжок двигуна; також запропонована аналітична залежність для визначення прирощення вказаної активної проекції, яке обумовлено транспортуванням магнітних втрат потужності до контуру намагнічування двигуна. Практична цінність. Запропоновано аналітичні розрахункові залежності для кількісної оцінки в усталених режимах похибок (у відсотках від уточнених значень) щодо визначення основних електромагнітних втрат потужності частотно-регульованого асинхронного двигуна, обумовлених при розрахунку цих втрат відсутністю (в порівнянні з відповідними дослідженнями з відомих публікацій) урахування додаткових і магнітних втрат потужності, а також – впливу електричних складових втрат, викликаних транспортуванням згаданих втрат потужності через повітряний проміжок або до контуру намагнічування двигуна відповідно.