CC BY
13
УДК 621.313; 621.314.57; 621.3.07
АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ МАШИН
Д.И. Попов
Проведен сравнительный анализ энергетической эффективности электротехнических комплексов, предназначенных для испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузки. Отмечены особенности эксплуатации и области применения различных схем в зависимости от источника питания испытуемой машины. Получены выражения, определяющие состав потерь мощности в известных схемах испытаний. Выявлены возможные причины снижения КПД испытательного комплекса.
Ключевые слова: испытательный комплекс, асинхронная машина, нагрузочные испытания, энергетическая эффективность, преобразователь частоты.
На различных этапах жизненного цикла электрической машины требуется проведение ее испытаний на соответствие заявляемым характеристикам в соответствии с ГОСТ [1, 2]. Различные категории испытаний требуют проведения ряда испытаний определенного вида. К наиболее энергозатратным из них относятся испытания под нагрузкой. Известен и широко применяется для машин постоянного тока метод взаимной нагрузки [3], позволяющий мощность, вырабатываемую нагрузочной машиной, использовать для питания испытуемого двигателя. С целью повышения энергоэффективности нагрузочных испытаний асинхронных машин разработан ряд схем, также позволяющих осуществить испытания по методу взаимной нагрузки. Выполним сравнительный анализ энергетической эффективности и применимости данных схем для испытаний асинхронных машин.
Известна схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки, изображенная на рис. 1, в составе которой имеется один преобразователь частоты (ПЧ), состоящий из двух управляемых выпрямитель-инверторов [4]. Данная схема позволяет осуществить обмен электрической энергией, выработанной генератором через сеть.
Мощность, потребляемая данной схемой при номинальном режиме работы испытуемого АД, может быть найдена из следующего выражения:
Рс = Рн - Рн-Ли Лг + 2-АРИнв Р ), (1)
где Рн - номинальная мощность испытуемого асинхронного двигателя (АД); Лн - номинальный КПД испытуемого АД; Лг - КПД нагрузочного генератора при номинальной нагрузке испытуемого АД; Рн - Лн - Лг - мощность, вырабатываемая нагрузочным генератором; АРинв (Рг) - потери в управляемом выпрямитель-инверторе от прохождения по нему мощности, вырабатываемой нагрузочным генератором, при номинальной нагрузке испытуемого АД.
Известна схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки, изображенная на рис. 2, в составе которой имеется один выпрямитель и два управляемых инвертора [5]. Данная схема позволяет осуществить обмен электрической энергией, выработанной генератором через звено постоянного тока.
В соответствии с данной схемой (см. рис. 2) может быть записано выражение для расчета электрической мощности, потребляемой из сети в следующем виде:
Рс = Рн - Рн-Лн -Лг +АРвып (Рс ) + АРинв (Рн ) + АРинв (Рг ) + АРдоп ТТТИМ, (2) где АРвып (Рс) - потери в выпрямителе от прохождения по нему всей мощности, потребляемой схемой; АРинв(Рн) - потери в управляемом инверторе от прохождения по нему номинальной мощности испытуемого АД; АРдоп ТТТИМ - дополнительные потери
в испытуемом АД, связанные с его питанием от источника несинусоидального напряжения, формируемого путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
118
РМ2 Рцяв! Рщш2
Рис. 1. Схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки с одним частотным преобразователем (с двумя управляемыми выпрямитель-инверторами)
и обменом энергией по сети
Рис. 2. Схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки с одним выпрямителем и двумя управляемыми инверторами и обменом энергией по звену
постоянного тока
Схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки, изображенная на рис. 3, имеет в своем составе два частотных преобразователя [6]. Данная схема позволяет осуществить обмен выработанной генератором электрической энергией через звенья постоянного тока по общей шине постоянного тока (ШПТ).
Рис. 3. Схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки с двумя частотными преобразователями и обменом энергией по звену постоянного тока
Для представленной схемы (рис. 3) будет справедливо следующее выражение для расчета электрической мощности:
Рс = Рн - Рн Л н Л Г +АРинв (Рн)+АРинв (Рг) + •••
... + 2 -АРв
Р 1 с
2 у
(3)
+ АР,
доп.ШИМ,
где АР
вып
Гр\ V 2 У
■ потери в выпрямителе, при прохождении по нему половины мощно-
сти, потребляемой схемой испытаний из сети.
Схема испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузки, в составе которой имеется один ПЧ для питания испытуемого АД [7], изображена на рис. 4. Данная схема позволяет осуществить обмен электрической энергией, выработанной генератором, по трехфазной сети.
Мощность, потребляемая схемой из сети, может быть определена следующим образом:
Рс = Рн - Рн -Лн -Лг + АРвып(Рн ) + АРинв (Рн ) + АРдоп.ШИМ. (4)
Рт ^шп Рл
Рис. 4. Схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки с одним частотным преобразователем (с неуправляемым выпрямителем и управляемым инвертором) и обменом энергией по сети
Следует отметить, что приведенная на рис. 4 схема позволяет испытать АД только при частоте напряжения, подаваемого на его обмотку статора, строго определенного значения, которое выше 50 Гц. Совпадение номинального значения частоты напряжения питания испытуемого АД / с частотой напряжения на выходе ПЧ /пчн, необходимой для обеспечения его номинальной нагрузки, имеет малую вероятность.
Схема испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузки, в составе которой имеется один ПЧ для питания испытуемого АД и генератор постоянного тока (ГПТ) для создания момента нагрузки на валу [8], изображена на рис. 5. Данная схема позволяет осуществить обмен электрической энергией, выработанной ГПТ через звено постоянного тока.
Мощность, потребляемая данной схемой из сети, может быть найдена по выражению:
Рс = Рн - Рн Лн ЛГПТ +АРинв (Рн ) + АРвып(Рс ) + АРдоп.ШИМ, (5)
где Л ГПТ - КПД нагрузочного ГПТ при номинальной нагрузке испытуемого АД; АРвып (Рс) - потери в выпрямителе от прохождения по нему мощности, потребляемой схемой испытаний из сети.
К особым условиям применения пяти рассмотренных схем можно отнести необходимое количество АД для проведения испытаний. Схемы, приведенные на рис. 1 -4, позволяют выполнить испытательный комплекс без заранее установленной на нем штатной нагрузочной машины, в качестве которой можно использовать одну из машин, поступивших на испытания. Это снижает стоимость испытательной установки. Схема, приведенная на рис. 5, требует наличия штатного нагрузочного генератора постоянного тока, что повышает стоимость испытательного комплекса. Однако преимущество такой схемы в том, что имеется возможность проводить испытания АД даже при их одиночном поступлении.
*
= Рш
Рис. 5. Схема испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки с нагрузочным генератором постоянного тока
Анализ уравнений (1) - (5) показывает, что почти все данные уравнения имеют общую сумму:
Робщ = Рн —Рн Лн ' Л г + ^доп.ШИМ. (6)
Для упрощения анализа уравнений примем допущение равенства потерь в инверторе при прохождении по нему мощности Рн и Рг :
АРинв (Рн ) = ДРинв (Рг ) . (7)
Присвоим схемам номера в соответствии с номерами рисунков, на которых они изображены и отметим в таблице обобщенную информацию по всем схемам и разность (Рс — Робщ) с учетом принятого допущения.
Эксплуатационные особенности схем испытания асинхронных машин
Источник питания испытуемого двигателя в схеме Необходимое коли-
Номер схемы чество АД, одновременно поступа- Рс Робщ
ющих на испытания
1 Управляемый инвертор 2 -
2 Преобразователь частоты 2 АРвып (Рс ) + АРдоп.ШИМ
3 Сеть с синусоидальным напряжением частотой 50 Гц 2 2 ' АРвып ^Рс^ + АРдоп.ШИМ
4 Преобразователь 2 АРвып (Рн ) —АРинв (Рн ) + ...
частоты ... + АРдоп.ШИМ
5 Сеть с синусоидальным напряжением частотой 50 Гц 1 АРвып (Рс ) —АРинв (Рн ) + ... ... + АРдоп.ШИМ + ... ... + Рн Лн (Лг — ЛГПТ)
Анализ разности мощностей (Pc — ^^щ), полученной в пяти рассмотренных
схемах, позволяет сделать следующие выводы. Ввиду того, что потери в выпрямителе, как правило, значительно меньше потерь в АД той же мощности, схемы с номерами 2 и 3 будут иметь приблизительно равные потери, несколько большие, чем в первой схеме. Четвертая схема по сравнению с предыдущими, имеет несколько большие потери в выпрямителе, т.к. по нему будет проходить вся мощность, потребляемая АД, которая больше суммарной мощности потерь в схеме испытаний. При этом данная схема имеет на один управляемый инвертор меньше предыдущих схем. Следовательно, четвертая схема будет иметь потери близкие к двум предыдущим схемам. Наименьшие потери из первых четырех схем имеет первая схема.
Наибольшие отличия от остальных схем имеет пятая схема испытаний. Помимо большей стоимости изготовления и возможности испытывать АД при их поступлении на испытания по одному в ней имеется особый состав потерь. В данном случае для определенного типа АД может быть подобран такой нагрузочный ГПТ, при котором потери в схеме будут меньше, чем в предыдущих, за счет отрицательного значения составляющей Pjj ^н • (пг — "Пшт). Однако следует учитывать, что при испытаниях асинхронных двигателей с другими параметрами, но с тем же нагрузочным ГПТ, суммарные потери установки будут расти за счет менее оптимального режима работы генератора и снижения его КПД [9, 10].
Список литературы
1. ГОСТ 2582-2013. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия. Введ. 01.01.2015. М.: Стандартинформ, 2014. 56 с.
2. ГОСТ 11828-86. Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний. Введ. 01.07.1987. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. 31 с.
3. Коварский Е.М., Янко Ю.И. Испытание электрических машин. М.: Энерго-атомиздат, 1990. 320 с.
4. Патент 143348 РФ. Устройство для испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов. Опубл. 20.07.2014. Бюл. № 20.
5. Патент 145998 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, В.В. Харламов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов. Опубл. 27.09.2014. Бюл. № 27.
6. Патент 140678 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / Д.И. Попов, В.Д. Авилов, А.В. Литвинов. Опубл. 20.05.2014. Бюл. № 14.
7. Бейерлейн Е.В., Цукублин А.Б., Рапопорт О.Л. Схема испытания тяговых частотно-регулируемых асинхронных электродвигателей // Известия вузов. Электромеханика. 2006. №3. С. 46 - 48.
8. Патент 178716 РФ. Стенд для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки / В.В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 17.04.2018. Бюл. № 11.
9. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока. СПб: Питер, 2010. 349 с.
10. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Юрайт, 2018. Том 2. 407 с.
Попов Денис Игоревич, канд. техн. наук, доцент, popovomsk@yandex. ru, Россия, Омск, Омский государственный университет путей сообщения
ANALYSIS OF ENERGY EFFICIENCY OF SYSTEMS FOR TESTING INDUCTION
MACHINES
D.I. Popov 122
In article presents the comparative analysis of power efficiency of the electrotech-nical complexes for testing induction motors by a method of mutual load. The features of operation and application of different schemes depending on the power source of the tested machine are noted. Expressions that determine the composition of power losses in the known test schemes are obtained. The possible reasons for the decrease in the power efficiency of the test complex are revealed.
Key words: test complex, induction motor, load tests, energy efficiency, frequency converter.
Popov Denis Igorevich, candidate of technical sciences, docent, popovomsk@yandex. ru, Russia, Omsk, Omsk State Transport University
УДК 621.3
КЛАССИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ РЕЗКОПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
В.И. Зацепина, Е.П. Зацепин, О.Я. Шачнев
Рассмотрены имитационные модели резкопеременных нагрузок в программной среде MatlabSimulink. Изображены необходимые составные части модели для воспроизведения необходимого графика нагрузки с подробным изложением применяемых блоков.
Ключевые слова: имитационная модель, резкопеременные нагрузки, дуговая сталеплавильная печь, нормальное распределение, график нагрузки.
Резкопеременные нагрузки наибольших амплитудных значений можно наблюдать в любом электросталеплавильном производстве, где используются электротермические установки - дуговые сталеплавильные печи. Мощностные показатели, формируемые дуговыми сталеплавильными печами в режиме плавки колодцев, свидетельствуют о генерации высших гармонических составляющих тока и напряжения, большой реактивной мощности в энергосистеме с последующими провалами напряжения на примыкающей шине [1].
С целью устранения негативных последствий от резкопеременных нагрузок необходимо построить имитационную модель [2, 3]. Наиболее целесообразно моделировать в системе MatlabSimulink, т.к. данный программный комплекс имеет огромное число настроек и подходов к моделированию практически любых систем электроснабжения и их процессов.
Наиболее простую резкопеременную нагрузку можно изобразить в виде блока "UniformRandomNumber", который использует для выбора случайных точек из заданного интервала нормальное распределение по амплитудной области. Принцип его работы основывается на правиле "трех сигм", т.е., если случайный сигнал имеет нормальное распределение, то вероятность ее отклонения от своего среднего значения не более чем на о составляет 68,27 %, не более чем на 2о - 95,45 % и не более чем на За - 99,73 % [6]. Рассмотрим такую модель на рис. 1.
Данная модель (рис. 1) использует блоки "UniformRandomNumber" (задает рез-копеременную нагрузку с нормальным распределением), "ControlledCurrentSource" и "Ground" (моделирует электроды дуговой сталеплавильной печи), "ThreePhaseSeriesRLCLoad" (необходим для последовательного соединения блока "ControlledCurrentSource" и печного трансформатора) и "Scope" (отображает характеристики тока и напряжения на электродах). Полученный график токовой нагрузки из блока "Scope"отразим на рис. 2.
