CC BY
13
УДК 621.313.333
ДИНАМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОМАШИННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, г. Петропавловск-Камчатский, 683003
e-mail: MarchenckoAlexey@yandex. ru
В статье приводятся результаты экспериментов по нагружению асинхронного электродвигателя электромагнитным моментом. В рамках эксперимента использовался электромашинный преобразователь вместо обратимого инвертора. Собранная схема позволяет оценить значительное снижение биений напряжения в сети.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, динамическое нагружение, рекуперативное торможение, генераторный режим, электромашинный преобразователь.
Dynamic loading of asynchronous enginewith electromachine converter. A.A. Marchenko (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
Results of experiments on loading of the asynchronous electric motor by the electromagnetic moment are given in article. Within experiment the electromachine converter instead of the reversible inverter was used. The collected scheme allows to estimate considerable decrease of tension at networks.
Key words: asynchronous engine, dynamic loading, recuperative braking, generating mode, electromachine converter.
Задачи диагностирования асинхронных двигателей как во время эксплуатации их в составе судовых электроприводов, так и после выполнения ремонтных работ требуют во время тестовых испытаний проверки не только электрической части асинхронной машины, но и снятия механических характеристик [1]. Наиболее эффективным решением является перевод асинхронного двигателя в генераторный режим с подачей механической нагрузки на ротор через воздействие тормозящего электромагнитного момента [2]. Получение подобного режима возможно при резком снижении частоты питающего напряжения сети. Динамическое нагружение электрических машин возможно только с применением обратимого частотного преобразователя. Таким устройством может выступать полупроводниковый обратимый инвертор или электромашинный преобразователь.
Целью работы является выявление наиболее приемлемого способа динамического нагружения асинхронного электродвигателя и проверка его на имитационных моделях и в реальных условиях.
В этой ситуации компьютерное моделирование рассматриваемых процессов позволяет выбрать и оценить величины параметров, частоты, времени переходного процесса, биений и т. п. Поэтому нами предлагается модель, настроенная на компьютерный эксперимент, позволяющий снять параметры процесса генераторного режима при активной нагрузке [3].
Переключение питания электродвигателя от частотного преобразователя к сети [4] в момент максимальной скорости производится путем силовой коммутации, причем сеть будет работать как потребитель электрической энергии до установления двигательного режима. Скорость двигателя при этом изменяется периодически от максимального значения до минимального с частотой задания блока управления преобразователем частоты ПЧ. Данный способ сопровождается большими биениями напряжений сети и асинхронного двигателя в генераторном режиме.
Эффективным решением при схемотехнической реализации является решение с понижением частоты питания асинхронного двигателя с 50 Гц до 25 Гц, что потребует разработки обратимого частотного преобразователя, питающегося от сети 50 Гц, или двух односторонних преобразователей с цепями коммутации, управляемых микропроцессором.
Основным недостатком переключения на сеть с напряжением 25 Гц является необратимость частотного преобразователя, поэтому для подтверждения эффективности предлагаемого метода на
реальной установке была использована система «Электромашинный преобразователь-двигатель» (рис. 1).
Рис. 1. Схема для проведения эксперимента: РВ —регулятор возбуждения; ДПТ- двигатель постоянного тока; СГ - синхронный генератор; БК - блок коммутации, АД - асинхронный двигатель, БУ - блок управления тиристорным блоком коммутации
Основным недостатком данного способа является двойное преобразование энергии: (переменного тока в постоянный, затем в переменный ток регулируемый), что приводит к большим потерям и обеспечивает низкий КПД системы, громоздкость, шум и механическую инерционность. Этих недостатков лишены статические преобразователи.
По этим причинам данная схема не претендует на промышленный образец, но обладает преимуществами, которых нет у полупроводниковых статических преобразователей, главные из которых простота конструкции и доступность элементов, что делает выбор в пользу системы с использованием электромашинного преобразователя в рамках данного эксперимента очевидным.
При проведении данного опыта сброс частоты вращения АД происходил при помощи резкого сброса напряжения якоря ДПТ переключением с сети 1 на сеть 2. По изменению напряжения статора АД можно судить об уменьшении времени переходного процесса.
Перед проведением эксперимента в реальных условиях предлагаемая модель была спроектирована в программе МайаЬ [5]. Разработанная модель представлена на рис. 2.
Рис. 2. Компьютерная модель с использованием синхронного генератора и приводного двигателя постоянного тока: блок 1 - трехфазная сеть; блок 2 - двигатель постоянного тока; блок 3 - синхронный генератор; блок 4 - трехфазный переключатель; блок 5 - управляющий контроллер
Блок 1 представляет собой сеть частоты 50 Гц. Сеть кратной частоты 25 Гц реализована при помощи двигателя постоянного тока, изменение скорости вращения которого осуществляется изменением напряжения на якоре (блок 2), приводящего во вращение синхронный генератор (блок 3). Механическое соединение электрических машин реализовано при помощи связи по скорости, причем номинальная скорость вращения электродвигателя соответствует номинальной скорости генератора. При этом уменьшение частоты питающего напряжения сети 2 привело к уменьшению скорости вращения синхронного генератора и уменьшению скорости испытуемого электродвигателя в два раза соответственно. Блок 4 представляет собой ключ, управляемый при помощи микроконтроллера 5, реализующего управляющий сигнал по времени.
В момент времени 0,6 с происходит переключение источников питающего напряжения с частоты 50 Гц на источник с частотой 25 Гц. Результаты изменения кривых напряжения на статоре испытуемого двигателя представлены далее на рис. 4, а.
Из результатов моделирования можно сделать вывод об уменьшении времени биений между напряжениями сети и асинхронного двигателя в генераторном режиме.
Наложение двух синусоидальных сигналов происходит на участке приблизительно от 0,6 до 0,75, что соответствует длительности переходного процесса приблизительно 0,15 с. Далее по времени сигнал принимает синусоидальную форму с устанавливающейся частотой 25 Гц. Следовательно, предложенный метод позволяет достигнуть длительности режима, увеличенной приблизительно в два раза.
Небольшое отличие в длительностях переходных процессов обусловлено неточным регулированием скорости при изменении напряжения на якоре двигателя постоянного тока.
Для поведения эксперимента в реальных условиях использовалась схема, представленная на рис. 3, собранная по принципу разработанной схемы (см. рис. 1).
Схема состоит из следующих блоков: 1) регулятор возбуждения (РВ); 2) цифровой осциллограф; 3) двигатель постоянного тока (ДПТ); 4) синхронный генератор (СГ); 5) асинхронный двигатель (АД); 6) блок коммутационных элементов.
л
Рис. 3. Схема для проведения эксперимента в реальных условиях: блок 1 - тиристорный преобразователь; блок 2 - цифровой осциллограф; блок 3 - двигатель постоянного тока; блок 4 - синхронный генератор;
блок 5 - асинхронный двигатель
Данные, полученные при помощи цифрового осциллографа, представлены на рис. 4, б.
Переходный процесс занимает приблизительно 0,15 с. Кроме того, нужно учитывать, что при проведении эксперимента использовался осциллограф с делителем напряжения, что привело к уменьшению амплитуды напряжения (рис. 4).
Для увеличения значения отрицательного электромагнитного момента целесообразным является нагружение двигателя в режиме генератора активным сопротивлением. Для этого в модели с использованием двигателя постоянного тока в цепь синхронного генератора включаются резистивные элементы. При подключении к синхронному генератору, выдающему напряжение с низкой частотой, асинхронный двигатель будет переходить в режим нагруженного генератора.
3000
2000.....
1
-3000 -0,4 -0,5 -0,6 — 0,7—-0,8-0,9 щ- 1 -1,1
а
10,0 В
ллсек
б
Рис. 4. Результаты проведения эксперимента. Диаграмма напряжения, полученная в результате: а - компьютерного эксперимента; б - натурного эксперимента
При сравнении компьютерных и натурных экспериментов можно сделать вывод об адекватностях представленных компьютерных моделей, разработанных при помощи прикладного пакета Sym Power Systems программы Matlab.
Существенное увеличение времени генераторного режима асинхронного двигателя в целях проведения испытаний электрических машин с отдачей электрической энергии возможно при использовании источников напряжения с частотой 50 Гц (сети) и 25 Гц и циклическом их подключении к испытуемому электродвигателю с частотой 0,12 с. Такое частое переключение может быть достигнуто при помощи использования микроконтроллерного управления и полупроводниковых управляемых ключей.
Литература
1. Голдберг О.Д. Испытание электрических машин: Учеб. для вузов. - 2-е изд. - М.: Высш. шк., 2000. - C. 164-166.
2. Вольдек А.И. Электрические машины: Учеб. для высш. техн. заведений. - 3-е изд. - Л.: Энергия, 1978. - С. 510-514.
3. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учеб. пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - C. 233-239.
4. Осипов О.И. Частотно регулируемый асинхронный электропривод: Учеб. пособие. - М.: МЭИ, 2004. - С. 46-48.
5. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс, 2008. - С. 167-172.
