CC BY
157
Electrical facilities and systems
тельно 86 «условным» суткам на рисунке 2.
Список литературы
1. Солнечная радиация и радиационный баланс [Текст] / Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. -СПб., 2006.
2. СНиП 2.10.04-85 Теплицы и тепличные комбинаты. Актуализированная редакция [Текст] / Гип-ронисельпром. - М.: Стройиздат, 1988.
3. Торнли Дж. Г.М. Математические модели в физиологии растений [Текст] / Дж. Г. М. Торнли. -Киев, Наукова думка, 1982.
4. Яковлев С.М. Инновационному развитию агропромышленного комплекса - научное обеспечение [Текст] / С.М. Яковлев, И.И. Каримов. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2012. - Часть II. - С. 22-25.
Refrences
1. Solnechnaja radiacija i radiacionnyj balans [Tekst] / Federal'naja sluzhba Rossii po gidrometeorolo-gii i monitoringu okruzhajushhej sredy. - SPb., 2006.
2. SNiP 2.10.04-85 Teplicy i teplichnye kombinaty. Aktualizirovannaja redakcija [Tekst] / Gipronisel'prom. - M.: Strojizdat, 1988.
3. Tornli Dzh. G.M. Matematicheskie modeli v fiziologii rastenij. [Tekst] / Dzh. G.M. Tornli. - Kiev, Naukova dumka, 1982.
4. Jakovlev S.M. Innovacionnomu razvitiju agro-promyshlennogo kompleksa - nauchnoe obespechenie [Tekst] / S.M. Jakovlev, I.I. Karimov. - Ufa: Bashkirskij GAU, 2012. - Chast' II. - S. 22-25.
Марченко А.А.
Marchenko A.A.
^арший преподаватель кафедры «Радиооборудование и электрооборудование судов» ФГБОУ ВПО «КамчатГТУ», Россия, г. Петропавловск-Камчатский
УДК 621.313
ИСПЫТАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОД НОМИНАЛЬНЫМ ТОКОМ В РЕЖИМЕ ПРОТИВОВКЛЮЧЕНИЯ И ПОНИЖЕНИЯ
ЧАСТОТЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Автором статьи предлагается введение процесса испытаний асинхронных двигателей под искусственной нагрузкой, так как используемый в настоящее время упрощенный регламент испытаний электрических машин после ремонта напрямую влияет на качество проверки такой машины. Изменение частоты питающего напряжения электродвигателя приводит к созданию момента на валу машины. Среднее значение момента и тока на валу электродвигателя является эквивалентом механической нагрузки на валу. Так как перечисленные процессы являются кратковременными, то необходимым требованием является циклическое введение возмущений и изменение параметров. Одним из вариантов изменения момента на валу является процесс противовключения. Основным недостатком данного метода являются резкие изменения момента, что может привести к аварийным режимам электродвигателя. Для уменьшения нагрузки подшипникового узла используется противовключение в совокупности с уменьшением частоты питающего напряжения.
В статье представлены результаты моделирования процесса нагружения электродвигателя 4A80A4 методом противовключения. Несмотря на простоту реализации данного способа нагружения, представленные автором результаты наглядно демонстрируют наличие критических моментов и токов двигателя. Результаты экспериментов нагружения электродвигателя противовключением с уменьшением частоты
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
25
Электротехнические комплексы и системы
позволяют сделать вывод об оптимальных значениях момента и тока, соответствующих нормальной работе электродвигателя. Также применение такого метода позволяет обеспечить работу электродвигателя во всех четырех квадрантах его механической характеристики.
Также в рамках исследования были определены параметры питающего напряжения, соответствующие получению номинального тока и момента электродвигателя. Наилучшие результаты испытаний асинхронного двигателя при помощи разработанной модели получены в диапазоне от 21-25 Гц.
В ходе исследований было выявлено, что эффективным решением при схемотехнической реализации является решение с применением метода изменения чередования фаз при помощи полупроводниковых ключей и понижением частоты питающего напряжения асинхронного двигателя при помощи обратимого преобразователя частоты.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, динамическое нагружение, режим противовключения, электрический ток, механическая мощность, момент, коммутация, частота сети.
TEST OF THE ASYNCHRONOUS ENGINE UNDER RATED CURRENT IN THE ANTIINCLUSION AND FALL OF FREQUENCY OF TENSION MODE
The author of article offers introduction of process of tests of asynchronous engines with artificial loading as the now in use simplified regulations of tests of electrical machines after repair directly influence quality of check of such machine. Change of frequency of the feeding tension of the electric motor leads to creation of the moment on a machine shaft. Average value of the moment and current on a shaft of the electric motor is an equivalent of mechanical loading on a shaft. As the listed processes are short-term, the necessary requirement is cyclic introduction of indignations and change of parameters. One of options of change of the moment on a shaft is antiinclusion process. The basic shortcoming of this method is sharp changes of the moment that can lead to emergency operation of the electric motor. For reduction of loading of bearing knot antiinclusion in total with reduction of frequency of the feeding tension is used.
Results of modeling of process of loading of the electric motor 4A80A4 by method are presented in article. The results presented by the author clearly demonstrate existence of the critical moments and currents of the engine despite simplicity of realization of a way of loading. Results of experiments of loading of the electric motor antiinclusion with reduction of frequency allow to draw a conclusion on optimum values of the moment and current, corresponding to normal operation of the electric motor. Also application of such method allows to ensure functioning of the electric motor in all four quadrants of its mechanical characteristic. Also within research the parameters of the feeding tension corresponding to receiving rated current and the moment of the electric motor were determined. The best results of tests of the asynchronous engine by means of the developed model are received in the range from 21-25 Hz.
During researches it was revealed that the effective decision at circuitry realization is the decision about application of a method of change of alternation of phases by means of semiconductor keys and reduction in the frequency of the feeding tension of the asynchronous engine by means of the reversible converter of frequency.
Key words: asynchronous engine, dynamic loading, antiinclusion mode, electric current, mechanical power, moment, switching, network frequency.
Сегодня судоремонтные предприятия Дальнего Востока выполняют ремонт и испытания электрооборудования по упрощенному регламенту. Реальные приемо-сдаточные испытания, которым подвергаются отремонтированные АД при их поточном ремонте как в условиях специализированных ремонтных предприятий и цехов, так и в условиях вспомогательных подразделений, как правило, состоят из трех пунктов:
- измерение сопротивления обмоток;
- испытание изоляции обмоток относительно корпуса машины и между обмотками;
- обкатка двигателя на холостом ходу [1].
Причем обкатка производится в незначительный промежуток времени и лишь для того, чтобы убедиться, что ток холостого хода находится на приемлемом уровне и в работе АД нет явных дефектов (заклинивание подшипников, цепляние ротора о пакет статора и т. п.).
Это, с одной стороны, связано с упрощением состава оборудования испытательных станций, а с другой стороны, снижает качество ремонта ЭД, так как такой регламент зачастую не в состоянии выделить дефекты, проявляющиеся только при эксплуатации.
После завершения ремонта предприятие гаран-
26
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
тирует безаварийную работу. В случае повторной неисправности гарантийное обслуживание возможно после завершения рейса. Выход из строя ответственного электропривода может привести к существенному ухудшению результатов рейса, а иногда и невозможности дальнейшего продолжения промысла. Судовладельцы напрямую заинтересованы в улучшении качества ремонта электрооборудования и требуют его выполнения от предприятий. Нередки случаи, когда испытания по длительности превышают общепринятые в несколько раз. Все это указывает на необходимость модернизации процесса испытаний электрооборудования, в частности, испытаний электрических машин.
Анализ причин выхода из строя электрооборудования подтверждает низкую надежность статорной обмотки (63,2% от общего числа отказов). Одним из необходимых этапов является проверка статорных обмоток под номинальным током. Существующие системы испытаний и нагружения электрических машин, как правило, включают нагрузочные агрегаты и комплексы со взаимной нагрузкой, предусматривающей механическое агрегирование электродвигателей со вспомогательными нагрузочными машинами. Сложность осуществления операции агрегирования, отсутствие стендового оборудования, пригодного для электрических машин разной мощности, делает перспективной разработку
станций испытания, обеспечивающих разнообразные нагрузочные режимы в схемах, исключающих механическое соединение вала испытуемой машины с нагрузочными агрегатами.
В данной статье приводятся результаты испытаний модели электродвигателя в динамическом режиме. Первой задачей являлось определение параметров схемы замещения электродвигателя.
Наиболее распространенные математические модели АД, основанные на записи системы уравнений Горева - Парка [2], не учитывают потери в стали, насыщение магнитной системы, вытеснение тока в стержнях ротора. Использование такого типа математических моделей АД приводит к заметным различиям расчетных динамических и статических характеристик АД от реальных. Так, для АД серии 4А потери в стали от вихревых токов и гистерезиса составляют до 20% суммарных номинальных потерь и до 50% от полных потерь холостого хода.
Адекватность идентифицированных параметров схемы замещения действительным параметрам АД проверялась сравнением с приведенными каталожными данными схем замещения. Так, в таблице 1 приведено сравнение каталожных и рассчитанных значений параметров схемы замещения:
4А80А4 с паспортными данными: 3^220 В, пн = 0,75, cos фн = 0,81, 11н = 2,74 А, Р2н = 1,1 кВт, юн = 146,5 рад/с.
Таблица 1
Параметры СЗ для АД типа 4А80А4
Параметр СЗ Каталожное значение параметров СЗ Ад, Ом Идентифицированное значение параметров СЗ Ад, Ом
4А80А4 4А80А4
*1 9,22 8,2
R\ 5,10 5,9
X1 6,0 6,6
X1 8,83 8,4
136 155
Одним из самых простых в своей реализации является режим динамического нагружения, сочетающий двигательный режим электрической машины с режимом противовключения.
В режиме противовключения машина потребляет также механическую мощность с ротора, поскольку внешний вращающий момент действует в сторону вращения ротора. Как мощность, потребляемая из сети, так и мощность, потребляемая с вала, расходуются на потери на машине. Поэтому полезной мощности машина не развивает, а в отношении
нагрева рассматриваемый режим является тяжелым.
На основании изложенного на рисунке 1 представлена векторная диаграмма асинхронной машины в режиме противовключения.
По сравнению с двигательным и генераторным режимами работы в режиме противовключения сопротивление rz/s мало. Поэтому на основании ра-
венства 12 =
____Ег_
r2/s+J
*<72
можно заключить, что ток L
и угол
W2 = 1(Ё2,12) велики. Соответственно
этому
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
27
Электротехнические комплексы и системы
первичный ток 11 и угол сдвига фаз (р\ = \(Ui,Ii) тоже велики. Это также указывает на опасность режима в тепловом отношении. Поэтому при U1 = Цн рассматриваемый режим допускается лишь кратковременно [3].
Рис. 1. Векторная диаграмма АД в режиме противовключения
Преобразование реактивной мощности в режиме противовключения происходит так же, как и в двигательном. На рисунке 2 представлена механическая характеристика электродвигателя в режиме торможения противовключением.
Электродвигатель работает на своей механической характеристике, его номинальному моменту соответствует точка b. Далее путем изменения чередования фаз двигатель переводится в режим противовключения, этому моменту соответствует точка с на обратной механической характеристике, на отрезке cd происходит торможение. После окончания тормозного режима двигатель переходит в точку a характеристики b и начинает разгон до точки b. В условиях постоянного динамического нагружения данный цикл повторяется снова.
Рис. 2. Механическая характеристика электродвигателя в режиме динамического торможения противовключением: а) при работе в первом и втором квадрантах; б) при работе во всех квадрантах
Данный способ, несмотря на простую реализацию, имеет существенные недостатки, главный из которых это большие скачки изменения моментов при переводе из двигательного режима в режим противовключения и обратно, им соответствуют моменты ДМ1 и ЛМ2.
Более наглядно это изображено на рисунке 3. Здесь представлена зависимость момента электродвигателя от времени, полученная на модели трехфазного АД с КЗ с номинальным моментом 7,5 Н*м.
На участке от 0 до 0,15 с происходил пуск и разгон АД. Перевод электродвигателя в режим противовключения осуществлялся в момент времени 0,15 с. Аналогичная ситуация с пусковыми токами электродвигателя. Для реализации режима нагружения необходимо обеспечить работу электродвигателя под
номинальным током и обеспечить номинальный момент на валу. Для этих целей реверс до номинальной обратной скорости машины является неприемлемым.
Значительное увеличение времени протекания режима динамического нагружения можно получить, если допустить работу АД в третьем квадранте механической характеристики, как это показано на рисунке 2б.
На рисунке 4 представлен график скорости электродвигателя. В режиме противовключения к времени окончания протекания динамического режима скорость АД достигает 160 рад/c при обратном направлении вращения ротора.
28
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
Рис. 3. Зависимость момента электродвигателя от времени
На рисунке 5 также виден резкий скачок момен- времени 0,35 с при повторном включении АД в пря-та более максимального. То же происходит в момент мом направлении вращения.
Рис. 5. Зависимость момента электродвигателя от времени в режиме противовключения
Одним из направлений исследования является нахождение оптимальных параметров протекания динамического режима АД, при которых значения ДМ, и ДМ не превышают значения М .
Одним из возможных решений является нагружение АД в режиме противовключения и изменения частоты. Из рисунка 2а следует, что существенное снижение ДМ1 и ДМ2 наблюдается при ограничении
работы АД в первом и втором квадранте механической характеристики и недопущении реверса.
На рисунке 6 механические характеристики f’2 и 2f’ соответствуют работе АД при пониженной частоте сети. Так как в реальной системе значение напряжения изменяется не пропорционально частоте, то фактически АД работает вместо f’2 и 2f’ на характеристиках f2 и 2f соответственно.
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
29
Электротехнические комплексы и системы
Рис. 6. Механическая характеристика электродвигателя в режиме динамического нагружения противовключением и изменением частоты
Существенное увеличение времени протекания цикла нагружения [4] становится возможным при работе во всех квадрантах механической характеристики, как показано на рисунке 6б. Вращению АД на холостом ходу соответствует точка а механической характеристики f1, соответствующей частоте сети 50 Гц. После достижения номинальной частоты вращения АД переводится в режим противовключения в точку b характеристики f2, соответствующей пониженной частоте. Вследствие этого наблюдается снижение ДМГ К достижению точки c характеристики f2 АД вращается в противоположном направлении вращения. Обратному переходу АД в ре-
жим прямого направления вращения соответствует момент ДМ2. Его уменьшению также способствует переход из точки c механической характеристики f2 в точку d механической характеристики f2, соответствующей пониженной частоте. Разгон АД до номинальной скорости может проходить только на естественной механической характеристике, поэтому после достижения точки e характеристики f2 происходит изменение частоты напряжения сети до номинальной и переход работы АД в точку g. Переход сопровождается небольшим увеличением момента ДМ3. Результаты моделирования представлены на рисунке 7.
Рис. 7. Зависимость момента электродвигателя от времени в режиме противовключения и изменения частоты
30
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
Скорость вращения электродвигателя соответствует механической характеристике на рисунке 6б. При переходе с характеристики f1 на f2 и достижении точки с этой характеристики скорости вращения соответствует wr При прямом включении двигателя и его работе на f2 скорость достигает значения w2. После перевода двигателя на естественную характеристику f1 он развивает номинальную скорость w3=
Wном. В рамках эксперимента для данного типа электродвигателя была выявлена оптимальная частота напряжения сети для ограничения момента электродвигателя в рамках максимального Ммакс. Наилучшие результаты испытаний асинхронного двигателя при помощи разработанной модели получены в диапазоне 21-25 Гц.
Рис. 8. Изменение скорости АД в режиме противовключения и изменения частоты
Основной целью испытаний является проверка статорных обмоток электродвигателя под номинальным током.
В ходе исследований было выявлено, что при испытаниях методом противовключения с изменением частоты сети в заданных пределах среднее
значение силы тока равно 2,6 А, что соизмеримо с номинальным значением для электродвигателя 4А80А4 (табл.1). На рисунке 9 представлена зависимость силы тока по времени протекания одного цикла нагружения противовключения с изменением частоты.
Рис. 9. Зависимость силы тока по времени
Видно, что переход с одной механической характеристики на другую сопровождается броском тока, но его значение не превышает пускового тока испытуемого электродвигателя.
Для получения значения тока статорной обмотки двигателя, соизмеримого с номинальным значе-
нием при нагружении в режиме противовключения, необходимо получение значений на длительном промежутке времени, что может быть достигнуто при циклическом изменении направления вращения АД, а также при увеличении частоты сети и ее уменьшении [5]. При получении среднего значения
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
31
Электротехнические комплексы и системы
силы тока на длительном промежутке времени необходимым условием является плавное прохождение переходных процессов также при увеличении частоты питающего напряжения.
Эффективным решением при схемотехнической реализации является решение с применением метода изменения чередования фаз при помощи полупроводниковых ключей и понижением частоты питающего напряжения асинхронного двигателя при помощи обратимого преобразователя частоты.
Список литературы
1. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин [Текст] / Г.К. Жерве. - 4-е изд. -Л.: Энергоатомиздат, 1984. - С. 351-354.
2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие [Текст] / С.Г. Герман-Галкин. -СПб.: КОРОНА принт, 2001. - C. 233-239.
3. Вольдек А.И. Электрические машины: учеб. для высш. техн. заведений [Текст] / А.И. Вольдек. -3-е изд. - Л.: Энергия,1978. - С. 510-514.
4. Марченко А.А. Моделирование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя [Текст] / А.А. Марченко, Н.Н. Портнягин // Соврем. проблемы науки и образования. - Пенза,
2012. - № 6. - С. 125-125.
5. Марченко А.А. Исследование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя [Текст] / А.А. Марченко, Н.Н. Портнягин // Фундам. исслед. - 2013. - № 1-2. - С. 408-412.
References
1. Zherve G.K. Promyshlennye ispytanija jelektricheskih mashin [Tekst] / G.K. Zherve. - 4-e izd. - L.: Jenergoatomizdat, 1984. - S. 351-354.
2. German-Galkin S.G. Komp'juternoe modeli-rovanie poluprovodnikovyh sistem v MATLAB 6.0: Uchebnoe posobie [Tekst] / S.G. German-Galkin. -SPb.: KORONA print, 2001. - S. 233-239.
3. Vol'dekA.I. Jelektricheskie mashiny: ucheb. dlja vyssh. tehn. zavedenij [Tekst] / A.I. Vol'dek. - 3-e izd. -L.: Jenergija, 1978. - S. 510-514.
4. Marchenko A.A. Modelirovanie proces-sa dinamicheskogo nagruzhenija asinhronnogo jelektrodvigatelja [Tekst] / A.A. Marchenko, N.N. Portnjagin // Sovrem. problemy nauki i obrazovanija. -Penza, 2012. - № 6. - S. 125-125.
5. Marchenko A.A. Issledovanie processa dinamicheskogo nagruzhenija asinhronnogo jelektrodvigatelja [Tekst] / A.A. Marchenko, N.N. Portnjagin // Fundam. issled. - 2013. - № 1-2. - S. 408-412.
Татевосян А.А.
Tatevosyan A.A.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника» ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», Россия, г. Омск
Осинина Е.В.
Osinina E. V.
инженер-программист ОАО НПП «Эталон»,
Россия, г. Омск
УДК 621.313.17
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ЭЛАСТОМЕРОВ
Расчет характеристик, определяющих релаксационные свойства эластомеров, сопровождается трудоемкостью вычислений, требует использования громоздкого математического аппарата и проводится с
32
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
