CC BY
8
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621.313.333; 621.372.632
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ
АСИНХРОННЫХ МАШИН
Д.И. Попов
Статья посвящена экспериментальным исследованиям, направленным на изучение системных свойств компонентов электротехнических комплексов, предназначенных для испытания бесколлекторных асинхронных машин методом взаимной нагрузки. В результате исследования получены рабочие характеристики КПД и потерь в элементах схемы испытания. Сделаны выводы о соотношении потерь в элементах схемы при номинальном режиме нагрузки испытуемого асинхронного двигателя.
Ключевые слова: экспериментальные исследования, испытательный комплекс, схема испытаний, асинхронная машина, метод взаимной нагрузки, преобразователи частоты, потери энергии.
Наибольшее распространение при послеремонтных (приемосдаточных) испытаниях коллекторных электродвигателей большой мощности (широко применяется на тяге) нашел метод взаимной нагрузки ввиду своей высокой энергоэффективности [1, 2]. Данный метод нагрузочных испытаний в настоящее время постепенно начинает применяться при испытаниях асинхронных машин. Для данной цели разработан ряд схем, выбор из которых осуществляется в зависимости от соответствия работы двигателя в данной схеме реальным условиям эксплуатации [3-7]. В ряде из этих схем применяется обмен энергией через звено постоянного тока [4-7]. В испытательных комплексах со схемами такого типа для упрощения их измерительной части, повышения надежности комплекса и повышения точности измерений предложено применять метод косвенного определения мощностей, реализуемый схемой, приведенной в [8].
Метод косвенного определения мощностей потребляемых (вырабатываемых) асинхронными машинами требует проведения предварительных измерений для нахождения их рабочих характеристик, отражающих зависимости потерь в элементах преобразователей частоты (ПЧ) от их нагрузки. В ПЧ можно выделить следующие виды потерь: 1) потери в выпрямителях (ДРвыпь ЛРвып2); 2) потери в управляемых инверторах (ЛРинв1,
117
ЛРинв2); 3) потери в системах управления преобразователей частоты (СУПЧ) (ЛРсупч1, ЛРСУПЧ2). Обозначим: Р с — мощность Сети, РАМ1 И РаМ2 — мощности асинхронных машин, подключенных к ПЧ. Методика определения ряда из обозначенных потерь приведена в [9]. Однако в данной методике не учитены потери на питание систем управления преобразователей частоты (ЛРСУПЧ1, ЛРСУПЧ2) и имеется избыточное количество измерительных приборов: по одному ваттметру на входе каждого ПЧ. Скорректированная схема для определения потерь в элементах испытательного комплекса с необходимым набором измерительных приборов приведена на рис. 1.
Л^выпр 1 АРсупч1 APинв1
Pc 4
В°—( W] С"
1
.1 "г 1.1 1.2 — 1.3
9 1
10 l
2.1
i Pa
АМ11
V 8
2.2
P
APBbmp2 А^СУПЧ2 APинв2
Рис. 1. Схема для определения потерь в элементах ПЧ
На схеме обозначены: 1 и 2 - ПЧ, 1.1 и 1.2 - неуправляемые выпрямители, 1.2 и 2.2 - звенья постоянного тока (ЗПТ), 1.3 и 2.3 - управляемые инверторы, 3 - шина постоянного тока (ШПТ), 4, 5 и 6 - ваттметры, 7 -амперметр, 8 - вольтметр, 9 и 10 - контакторы (или автоматы). В отличие от аналога, приведенного в [9] на входе в данной схеме имеется только один ваттметр 4.
Следует отметить, что для подключения к питанию обоих преобразователей частоты (ПЧ1 и ПЧ2) достаточно включить хотя бы один из контакторов 9 или 10 (рис. 1). При этом преобразователь частоты, выпрямитель которого оказывается не подключенным к сети, получает питание от другого ПЧ через шину постоянного тока 3.
Для проведения исследований с целью оценки энергетических показателей элементов схемы взаимной нагрузки асинхронных машин собран стенд в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1. В состав данного стенда входят асинхронные двигатели АИС71В4 с номинальными КПД Пн = 65 %, мощностью Рн = 370 Вт и коэффициентом мощности соБфн = 0,74, преобразователи частоты Emerson Unidrive SP0401 и цифровые электроизмерительные приборы. Номинальные частоты вращения машин АМ1 и АМ2 равны 1370 и 1350 об/мин соответственно.
Потери в СУПЧ примем постоянными, тогда их можно определить при поданном от сети питании на ПЧ1 и ПЧ2 и отсутствии напряжения на обмотках статора асинхронных машин АМ1 и АМ2.
118
A
3
P
7
Измерения показали, что суммарные потери (ЛРСУПЧ1 + ЛРСУПЧ2) равны 32,5 Вт. Исходя из того, что ПЧ1 и ПЧ2 однотипные, потери каждого из них приняты равными половине от их суммарных потерь: ЛРСУПЧ1 = ЛРСУПЧ2 = ЛРсупч = 16,25 Вт.
Измерения для определения характеристик КПД и потерь в элементах испытательного комплекса выполнены при двух вариантах включения схемы: первый вариант - контактор 9 включен, контактор 10 выключен, второй вариант - контактор 9 выключен, контактор 10 включен. При различных вариантах включения схемы различаются только значения тока в ШПТ (Тш.п.т). Результаты измерений приведены в таблице.
Результаты измерений
/2, Гц Рам1, Вт Рам2, Вт Рс, Вт Цз.п.т, В 1ш.п.т1, А 1ш.п.т2, А
43,40 509,0 -172,0 390,5 500 0,300 1,080
44,83 410,0 -132,0 329,0 502 0,220 0,875
46,20 316,5 -84,5 280,0 504 0,125 0,680
47,50 228,5 -37,0 239,0 505 0,030 0,503
48,50 163,5 0,0 211,0 508 -0,045 0,370
50,00 65,5 76,5 189,5 508 -0,197 0,175
Для создания нагрузки машинам на обмотку статора АМ1 подавалось напряжение с частотой 50 Гц, на обмотку статора АМ2 - с частотой /2. При этом первая машина нагружалась в двигательном режиме, а вторая - в генераторном режиме.
При включенном контакторе 9 и выключенном контакторе 10 (см. рис. 1) можно определить потери во втором инверторе по выражению
АРинв2 = -РАМ2 - Рш.п.т1 - А^СУПЧ, (1)
где Рш.п.т 1 - мощность, передаваемая по ШПТ при данной схеме,
Рш.п.т1 = ^з.п.т1ш.п.т1, (2)
где из.пт - напряжение в ЗПТ преобразователей частоты, /ш.п.т1 - ток в
ШПТ при данной схеме.
При включенном контакторе 10 и выключенном контакторе 9 (см. рис. 1) можно определить потери в первом инверторе по выражению
АРинв1 = Рш.п.т2 - РАМ1 -^^СУПЧ, (3)
где Рш.п.т 2 - мощность, передаваемая по ШПТ при данной схеме,
Рш.п.т2 = из.п.т1 ш.п.т2, (4)
где 1ш п т2 - ток в ШПТ при данной схеме.
По найденным потерям в инверторах, подключенных к машинам АМ1 и АМ2, получена характеристика, приведенная на рис. 2 (сплошная линия), на которой по горизонтальной оси отложена мощность на выходе соответствующего инвертора. Кривые ЛРинв1 = /(РАм1) и
119
ЛРинв2 = Д(Рам2) образуют одну непрерывную характеристику потерь инвертора ЛРинв от мощности РАМ на стороне подключения обмоток статора асинхронных машин.
/, а
Рис. 2. Экспериментальные значения потерь в инверторах и расчетные значения средних суммарных токов транзисторов и диодов
На рис. 2 помимо характеристики ЛРинв = ДРам) нанесены зависимости суммарного среднего тока в транзисторах трех фаз от мощности инвертора И/ктср = Д(РАМ) и суммарного среднего тока подключенных к ним обратных диодов от мощности инвертора = ДРАМ). Данные токи получены путем математического моделирования работы электрических машин АМ1 и АМ2 по формулам, приведенным в [10]. Теоретически потери в инверторе складываются из электрических потерь в его транзисторах и обратных диодах. Анализ полученных кривых (см. рис. 2) показывает выраженную зависимость потерь в инверторе именно от тока транзисторов. Это можно объяснить тем, что частота переключений транзисторов имеет порядок килогерц, в то время как частота срабатывания обратных диодов в данной схеме 50 Гц, т.е. на два порядка ниже.
По полученным потерям и мощностям в инверторах рассчитан КПД инверторов в составе стенда по выражению
л =_рАМ__(5)
11инв I п I а п ' ^ '
|РАМ| + АРинв
где |РАМ| - абсолютное значение мощности потребляемой машиной АМ1
во всем диапазоне измерений и вырабатываемой машиной АМ2 в диапазоне от 0 до -172 Вт (см. таблицу).
Расчеты по выражению (5) позволили получить зависимость КПД инверторов от мощности на стороне подключения к ним асинхронных машин. Полученная зависимость Пинв = ДРам) приведена на рис. 3.
120
РАМ. ВТ
Рис. 3. Рабочая характеристика КПД инвертора
Суммарные потери в обеих машинах могут быть найдены как алгебраическая сумма мощностей измеренных в цепях обмоток статора:
X РАМ =АРАМ1 + АРАМ2 = РАМ1 + РАМ2. (6)
Суммарные потери в преобразователях частоты
X РПЧ =АРПЧ1 + ЛРПЧ2 = Рс - X Рам . (7)
Зависимости рс = /(pАМ1), XРАМ = /(РАМ1), XРПЧ = /(РПЧ1) полученные по данным табл. 1 и выражениям (6) и (7) приведены на рис. 4.
400 350 300 250 200 150 100 50
------ ------ 1 * < ---* —------ ✓ -----
* -----1----- -----
—-— -- -— ^-Рпч _ -——
, Вт
0
100 200 300 400 500 600
Рис. 4. Потребляемая мощность и потери в схеме
Мощность, потребляемая схемой взаимной нагрузки из сети, равна сумме всех потерь в схеме:
Рс = X РАМ + X РПЧ + 2 АРвып + 2 АРсупч , (8)
где АРвып - потери в неуправляемом выпрямителе одного из ПЧ (приняты равными в обоих ПЧ).
Следовательно, относительные значения потерь в двигателях и преобразователях частоты могут быть найдены по следующим выражениям:
X Рам
X Рам
__ *
X Ргш
Рс
X РПЧ
Р
(9) (10)
Зависимости X РАМ =/(Pam1)
и XРП*Ч =/(Pami), рассчитанные по (9)
и (10), приведены на рис. 5.
ч р*
1,0
0,8
0,6 0,5
0,1
ХР А
¡ЕРП
100 200 300 400 500 600
Лшь Вт
Рис. 5. Потребляемая мощность и потери в схеме
Анализ результатов расчета, приведенных на рис. 4 и 5, показывает, что потери в преобразователях частоты с увеличением нагрузки АМ1 от холостого хода до номинального режима работы слабо возрастают в абсолютном выражении и при этом снижаются с 0,25 до 0,15 по отношению к полным потерям в схеме.
Если принять потери в АМ1, работающей в двигательном режиме с номинальной нагрузкой, равными номинальным потерям ЛРАМн, то потери в АМ2, работающей в это время в генераторном режиме, можно найти следующим образом:
ДРАМген = X РАМ -АРАМн. (11)
Тогда при номинальном режиме работы машины АМ1 диаграмма распределения потерь в элементах схемы при введенных ранее допущениях принимает вид, представленный на рис. 6.
Рис. 6. Соотношение потерь мощности в элементах схемы в номинальном режиме работы испытуемого асинхронного двигателя
номинальной мощностью 0,37 кВт
Наибольшие потери в схеме приходятся на машину, работающую в двигательном режиме, меньшие потери имеет машина, работающая в генераторном режиме, в преобразователях частоты малой мощности высоки
122
потери на СУПЧ, а потери в инверторах значительно превосходят потери в неуправляемых выпрямителях. Величина потерь в выпрямителях на экспериментальной установке по расчетам составила менее 1 Вт, что соразмерно погрешности ее определения на данном стенде, что как минимум на один порядок ниже потерь в инверторах.
Исходя из того, что при увеличении номинальной мощности ПЧ его система управления не требует пропорционального увеличения питающей ее мощности, соотношение потерь в номинальном режиме работы в элементах схемы с испытуемыми двигателями больших мощностей будет отличаться от диаграммы, приведенной на рис. 6 снижением доли потерь в СУПЧ1 и СУПЧ2.
Выводы:
1) в результате представленной работы уточнена схема, обеспечивающая способ определения мощности, потребляемой асинхронными машинами при их испытаниях методом взаимной нагрузки;
2) экспериментально получены рабочие характеристики КПД и потерь элементов схемы испытания с обменом энергией по шине постоянного тока;
3) оценены соотношения потерь мощности в элементах преобразователей частоты и асинхронных машинах от их холостого хода до номинальной нагрузки.
Список литературы
1. Бирюков В.В. Анализ схемных решений силовых цепей мотор-генераторных установок постоянного тока, работающих по методу взаимной нагрузки // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2005. № 4 (24). С. 86-89.
2. Коварский Е. М., Янко Ю. И. Испытание электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.
3. Попов Д.И. Научные основы создания энергоэффективных методов и средств испытаний электрических машин. Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения. 2019. 175 с.
4. Патент 2433419 РФ. Способ испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки / В. Д. Авилов, А.И. Володин, В.Т. Тихонов, В.В. Лукьянченко, Е.В. Панькин. Опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31.
5. Патент 163996 РФ. Схема испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки / В.В. Харламов, Д.И. Попов, С.О. Руменко, А.И. Стретенцев. Опубл. 20.08.2016. Бюл. № 23.
6. Патент 140678 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов. Опубл. 20.05.2014. Бюл. № 14.
7. 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.
123
8. Патент 197440 РФ. Схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки / В. В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 27.04.2020. Бюл. № 12.
9. Авилов В.Д., Попов Д.И., Литвинов А.В. Методика определения потерь в двухзвенных преобразователях частоты в составе стенда для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки // Известия Транссиба. 2014. № 1 (17). С. 2-8.
10. Попов Д.И. Математическое моделирование физических процессов в испытательных комплексах электрических машин // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 79 - 84.
Попов Денис Игоревич, канд. техн. наук, доц., popovomsk@yandex.ru, Россия, Омск, Омский государственный университет путей сообщения
EXPERIMENTAL STUDY OF ENERGY INDICATORS OF ELEMENTS OF THE MUTUAL LOAD SCHEME OF INDUCTION MACHINES
D.I. Popov
The article is devoted to experimental research aimed at studying the system properties of components of electrical complexes intended for testing of brushless induction machines by the method of mutual load. As a result of the study, the performance characteristics of the efficiency and losses in the elements of the test scheme are obtained. Conclusions are made about the ratio of losses in the circuit elements at the rated load mode of the tested induction motor.
Key words: experimental research, test complex, test scheme, induction motor, mutual load method, frequency converters, energy losses.
Popov Denis Igorevich, candidate of technical sciences, docent, popovomsk@yandex. ru, Russia, Omsk, Omsk State Transport University
