Исследование влияния несинусоидальных отклонений напряжения на эксплуатационные характеристики асинхронного двигателя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317.785.088.001.5

Майер В. Я.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Согласно ГОСТ 13109-87 отклонение напряжений трехфазных систем в процентах вычисляют по формуле

8U = Um~UHOM .100, (1)

ном

где Um - действующее значение напряжения прямой последовательности первой гармоники;

UHaM - номинальное значение напряжения.

Во-первых, фазу возникает вопрос - почему отклонение напряжений определяется как относительная разность номинальной величины напряжения и действующего значения напряжения только первой гармоники прямой последовательности? Что остальные высшие гармоники, начиная от 2-й и до 50-й, а иногда и выше, не участвуют в формировании действующего значения напряжения прямой последовательности? При расчете напряжения прямой последовательности безусловно необходимо учитывать все гармоники, участвующие в его формировании.

Несовершенство принятого в ГОСТ 13109-87 показателя оценки отклонения напряжений заключается еще и в том, что в действительности существует несколько видов отклонений напряжений, а именно:

- симметричное, синусоидальное, установившееся;

- несимметричное, синусоидальное, установившееся;

- симметричное, несинусоидальное, установившееся;

- несимметричное, несинусоидальное, установившееся;

- симметричное, синусоидальное, резкопеременное;

- симметричное, несинусоидальное, резкопеременное; несимметричное, несинусоидальное, резкопеременное.

Доказательство того, что отклонение напряжений трехфазной системы необходимо определять с учетом его несимметрии приводятся в [1]. В данной статье пригодится доказательство необходимости учета несинусоидальности при оценке отклонения напряжений трехфазной системы. В качестве объекта исследования был принят самый распространенный ПЭ -асинхронный двигатель типа АИР 90 243 с короткозамкнутым ротором. Обмотки статора соединены по схеме "звезда":

1ио* = 10,6/6,1 А; ?ти = 3 кВт; п„ом = 2850 об/мин; КПДЮМ=84,6 %;

cos <[>„,»,= 0,88; Sho.,^0,05; гф=2,7 0м; M^/M,«« = 2,2; У1«ш=7,0.

Загрузка двигателя производится с помощью электромагнитного тормоза с регулировкой тормозного момента. Для определения частоты вращения двигателя используется электронный цифровой тахогенератор ТЦ-ЗМ Для того, чтобы измерять все показатели качества электроэнергии одновременно используется измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) "Качества" и комплект специализированных приборов типа 43203, 43204 и 43250. На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки. Для выполнения исследования влияния симметричной, несимметричной несинусоидальности отклонения напряжений на эксплуатационные характеристики асинхронного двигателя в схему экспериментальной установки был

Рис. 1 - Принципиальная схема экспериментальной установки

подключен блок тиристорных регуляторов с фазоимпульсным управлением (рис. 2), являющийся источником несинусоидальности. С помощью блока тиристорных регуляторов устанавливалась несинусоидальность напряжений сначала в одной фазе А, затем в двух фазах А и В, и в заключении во всех трех фазах. С помощью анализаторов гармоник типа УЗ 200 контролировалась установка фиксированных значений Кнсц, а именно: 0, 10 и 15 %. Исследования проводились при коэффициентах загрузки асинхронного двигателя равных 0,5; 0,75 и 1,0, а также при холостом ходе.

Первая серия опытов производилась при Кнсц фазы А 10 %, затем 15 %. Несинусоидальность напряжений двух других фаз обеспечивалась приблизительно (насколько это техни-

чески было возможным) равным 0. Эксплуатационные характеристики асинхронного двигателя определялись расчетным путем на основе измерений токов, напряжений фаз и углов их сдвигов, а также частоты вращения ротора двигателя(1].

Вторая серия опытов производилась при Кнси фаз А и В равном 10 %, затем 15 %. Несинусоидальность напряжения фазы С поддерживалась приблизительно равной нулю.

Третья серия опытов выполнялась при Кнсу всех трех фаз равном 10 %, затем 15 %.

На рис. 3 представлены зависимости суммарных потерь активной мощности в асинхронном двигателе от несинусоидального отклонения напряжений при Кз = 0,75. Анализ этой зависимости показывает, что величина коэффициента загрузки изменяет не только величину суммарных активных потерь мощности асинхронного двигателя, но и характер зависимости. В свете поставленной задачи исследования важнейшим фактором является то, что неизменной величине отклонения напряжений соответствуют, в зависимости от несинусоидальности напряжений, разные значения суммарных потерь активной мощности. Так при неизменном отклонении напряжений равном -10 % и Кз = 0,75 (см. рис. 3). .

ю %

Рнс.З - Зависимость суммарных потерь активной мощности в асинхронном двигателе от несинусоидального отклонения напряжений при Кз = 0,75

Опыт № 1. КАНСи = 10%, КвНСи = КсНСи * 1,5%,

Опыт № 2. КАНСи =15%, КвИСи = КсНСи * 1,5%, Опыт № 3. КАС = КвНСг: = 10%, КсНСп »1,5%,

кнси

Опьгг № 4. КАСц = К*Си = 15%, КсНСи «1,5%, Опыт Ъ5.КАНСи=К*С{ Опыт № 6. КАНС{] =К*Са = КсНСи =15%,

„ =Кнс, =Ю%,

АР = 590Вт . АР = 625Вт . АР = 6645от. АР = 736Вт. АР = 7245т. АР = ШВт.

Неопределенность здесь заключается в том, что неизменной величине отклонения напряжений (в данном примере 811 = -10% ) соответствуют разные (590-772 Вт) значения суммарных потерь активной мощности в асинхронном двигателе. Обусловлено это изменением несинусоидальности отклонения напряжений. Увеличение "симметричной" несинусондальности отклонения напряжений на 5 % при неизменном отклонении напряжений, равном, например, -10 % и Кз = 0,75 (см. рис. 3) приводит к увеличению суммарных потерь активной мощности в асинхронном двигателе на 4,89 %, а увеличение несимметричной несинусондальности отклонения напряжений на 5 % приводит к увеличению суммарных потерь активной мощности на 6,24 %. Данная закономерность подтверждается и другими зависимостями, например, зависимость КПД асинхронного двигателя от несинусоидального отклонения напряжений (рис. 4), Анализ этой зависимости показывает, что коэффициент загрузки асинхронного двигателя изменяет не только величину КПД, но и характер этой зависимости. Несинусоидальность отклонения напряжений оказывает определенное влияние на КПД электродвигателя. Так, например, при одной и той же величине отклонения напряжений, а именно 81/ = -10% и К3=0,75 (см. рис. 4).

Рис. 4 - Зависимости КПД асинхронного двигателя от несинусоидального отклонения напряжений при К3 = 0,75

Кнс0 = 10%, КНСи = К НС и «1,5%, кпд = 76,7%;

Кнси = 15%, Кнс„ ~кнси «1,5%, кпд = 74,9%;

Кас„ - Кв - лисц = 10%, Кнси «1,5%, кпд = 72,9%;

Кнси -Кв лнсу = 15%, Кнси кпд - 69,5%;

КА - К* = Кнс11 = 10%, кпд = 70,3%;

кнс„ ~КНСа = кнс„ = 15%, кпд = 67,6%.

Неопределенность зависимости КПД = £ (8 £/) заключается в том, что неизменной величине, например, Ы7 - -10% и К3 = 0,75, в зависимости от "симметричной", несимметричной несинусоидальности отклонения напряжений, соответствуют разные (67,7-76,7 %) значения КПД асинхронного двигателя. Следовательно, такой критерий неадекватно отражает изменение функциональных свойств энергетического процесса трехфазных систем при несимметрии несинусоидальности.

Из результатов исследования следует, что одна и та же величина отклонения напряжений в зависимости от величины несинусоидальности и несимметричности отклонения напряжений оказывает на эксплуатационные характеристики асинхронного двигателя самое различное влияние. В этой связи необходимо либо разработать критерий оценки отклонения напряжений, который бы учитывал все виды отклонений напряжений, либо необходимо четко в ГОСТе на качество электрической энергии условиться, что введенный показатель оценки отклонений напряжений принят для симметричного, синусоидального, установившегося режима Из этого условия и ограничивается допустимый предел отклонения напряжений. При появлении других видов отклонений напряжений они должны ограничиваться с учетом влияния этих факторов. Например, предельное значение отклонения напряжений в сетях 0,4 кВ ограничивается величиной ±5 % и это должно иметься ввиду симметричное, синусоидальное, установившееся отклонение напряжений. При появлении в нем несинусондальности или несимметричности допустимая величина отклонений напряжения уменьшается на столько, на сколько увеличивается влияние дополнительного искажающего фактора Допустим, величина несимметричности отклонений напряжений привела к увеличению ущерба по значимости равного увеличению симметричного, синусоидального, установившегося отклонения напряжений на 2 %. Следовательно, допустимое несимметричное синусоидальное установившееся отклонение напряжений ограничивается величиной равной 5-2 = 3 %. Если еще возникла несинусоидальность, влияние которой по значимости равно 1 % симметричного, синусоидального, установившегося отклонения напряжений, то допустимое значение несимметричного, несинусоидального, установившегося отклонения напряжений ограничивается величиной 3-1 =2 %.

В этгой связи чрезвычайно важно произвести ранжировку допустимых предельных величин ПКЭ, которые оказывают одинаковое влияние на определенную группу равновосприим-чивых ПЭ, электрооборудования и технологических процессов. Естественно, все ПЭ, электрооборудование и технологические процессы должны быть разделены на равновосприимчивые к качеству электроэнергии группы. Например, предельно-допустимое значение отклонения напряжений ±5 % должно оказывать на определенную группу ПЭ, электрооборудования и технологических процессов такое же влияние, как предельно-допустимая величина несинусоидальности напряжений, которая ограничивается согласно ГОСТ 13109-87 пятью процентами и т.д. Для другой группы ПЭ, электрооборудования и технологических процессов предельно-допустимые значения ПКЭ возможно распределятся так - отклонение напряжения ±3,6 %, несимметрия напряжений 1,2 %, несинусоидальность напряжений 2,7 %, неуравновешенность напряжений 0,8 % и т.д. При этом необходимо учесть, что отклонение напряжений необходимо

определять с учетом несимметрии и несинусоидальности напряжений по формуле [1]

ьи = и"р~ииом -т, '

^нам

где и„р - действующее значение напряжения прямой последовательности с учетом принимаемых во внимание гармоник фаз.

Несимметрию и неуравновешенность напряжений необходимо определять с учетом несинусоидальности кривых напряжений фаз [2]. Несинусоидальность и колебание напряжений трехфазной системы необходимо определять с учетом несимметрии электрического режима по критериям и методикам, изложенным в [3,4] соответственно.

Если колебание напряжений не прямопропорционально колебаниям токов, то колебание электрического режима следует оценивать как по колебаниям напряжений, так и токов, т.е. по колебаниям мощностей фаз. На основе этой концепции размах изменения мощностей фаз предлагается определять по активной, реактивной и полной мощности прямой последовательности. . ~

Ьпр _ п"Р| 1г)»Р -Опр\ |5ир -5"'р|

5Р;р = 1 ' 1+11 -100; 5(УР = -100; дЯ,"" = 1 ' -100,

ир г£пр "Р

где Р"р, £>"р,,Р"РХ,£>"р,,5"+, - значения следующих друг за другом экстремумов (и не экстремумов) и горизонтального участка огибающей амплитудных значений активной, реактивной и полной мощности прямой последовательности.

Дозу колебаний мощностей фаз предлагается определять по формулам

' ^ = I )*№= £ №/;

°/-е о '-в о

"<-е о

где - коэффициенты приведения действительных размахов изменения активной,

реактивной и полной мощности прямой последовательности к эквивалентным; 6 - интервал времени усреднения, равный десяти минутам;

Р„р (/, <2пр (/, 8нр (/, г) - частотный спектр процесса изменения активной, реактивной и полной мощности прямой последовательности в момент времени I.

При периодических или близких к периодическим изменениям мощностей фаз допускается вычислять дозу колебаний мощностей фаз по формуле

<' • ^ -1 ■

"/-в 1-0

Ч-Гй^К)'*.

и 1-е

где ЬР"Р ,Ь()пр ,Ь8пр - действующие значения составляющих разложения в ряд Фурье изменений активной, реактивной и полной мощности прямой последовательности с размахами 8/>,лр,8е(пр и 55"р соответственно.

Каждую предельно-допустимую величину в своей группе ПЭ, электрооборудования и технологических процессов необходимо принимать за 100 %. Если, например, при несимметричном, несинусоидальном отклонении напряжений для первой группы ПЭ, электрооборудования и технологических процессов выявлено, что несимметрия напряжений равна 0,8 %, а не-

синусоидальность напряжений равна 1,5 %, то предельно-допустимое значение, отводимое на симметричное синусоидальное отклонение напряжений определяется так:

0,8-100 Л „ 1,5-100 „ЛП/ = = 40%; Ьинеао1^~- = 30%,

5-70

5^+8^=40 + 30=70% или 8£/яеаш = —= 3,5%,

несии

5^ = 5-3,5 = 1,5%.

Перечень ссылок

1. Майер В. Я. Исследование влияния симметричного и несимметричного отклонений напряжений на эксплуатационные характеристики асинхронного двигателя // Пром. энергетика. -1993.-№ 9-10. - С. 30-34.

2. Майер В. Я., Зения, Приемова Т. Ю. Критерий оценки несимметрии напряжений, адекватно отражающий энергетический процесс трехфазных систем // Энергетика... (Изв. высш. уч. заведений), - 1990. - № 9. - С. 40-43.

3. Майер В. Я., Зения. Критерии оценки несинусондальности напряжений и токов трехфазной системы // Энергетика... (Изв. высш. уч. заведений). -1991. - № 9. - С. 45-52.

4. Майер В. Я., Зения. Разработка критериев оценки отдельных показателей качества электроэнергии, адекватно отражающих изменения энергетического процесса трехфазных систем // Исследование качества электроэнергии в сложных электрических системах: Сб. науч. тр. -Братск: БрюПИ, 1990. - С. 76-81.