CC BY
30
УДК 624.313
Доктор техн. наук А.П. ЕПИФАНОВ (СПбГАУ, стсо.каГс/л апс1с\. га) Ст преподаватель И.А. АНПИЛОГОВ (СПбГАУ, [email protected]) Аспирант Д.Б. КРИЛЬ (СПбГАУ, [email protected])
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА «ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ»
Электропривод по системе «Преобразователь частоты экспериментальные исследования, энергетические характеристики
асинхронный двигатель»,
Энергосберегающий электропривод (ЭП) по системе «Преобразователь частоты -асинхронный двигатель» (ПЧ - АД) (рис. 1) является основным регулируемым приводом в диапазоне мощностей до 200 кВт. При больших мощностях альтернатива - вентильный электропривод.
Энергоэффективность такого электропривода (рис. 1) в режиме пуска и
2тг/:
установившемся режиме вытекает из самого способа регулирования (со0 =
var) в
сочетании с современной полупроводниковой техникой (IGBT - транзисторы) [6,7]. Законы
Обмен данными ^-J—^ Входы/выходы —>
Управляющая электроника
Управление / Регулирование / Контроль
J 12(f 12(f Л 12CP
360°
В
О
выпрямитель 1,35 * Uphasc
Промежуточное звено
Асинхронный двигатель
Рис. 1. Структурная схема электропривода по системе ПЧ - АД - РО: А - выпрямитель; В - звено постоянного тока; С - инвертор
изменения отношения у могут быть различными в зависимости от характера нагрузки [2,3,4].
Например, при условии постоянства момента на валу двигателя (М = const), — = const
с IxR- компенсацией, при этом поток в зазоре Ф,5 = const. На входе ПЧ установлен неуправляемый выпрямитель напряжение в звене постоянного тока U = const (рис. 1в), а регулирование его в зависимости от частоты f реализуется в звене переменного тока (
инверторе) при помощи широтно - импульсной модуляции (ТТТИМ); частота модуляции зависит от мощности и колеблется в широких пределах (~0,6 - 16) кГц. При высокой частоте ТТТИМ ток в двигателе (после инвертора) имеет практически синусоидальную форму, длительность импульсов напряжения с крутыми фронтами промодулирована по синусоидальному закону (рис. 1с). Очевидно и то, что двойное преобразование энергии
(выпрямление и инвертирование), а также наличие высших гармоник несколько снижают
р2
КПД привода г] = —— по сравнению с питанием двигателя от источника синусоидального
Рвх
напряжения. Следует также отметить низкую энергоэффективность такого электропривода
при частотах Д < 5 Гц из-за роста скольжения 5 = — и потерь в обмотке ротора ЛРЭЛ 2=5-
А
Рэм [2,7]. Для получения низких частот вращения рабочего органа (РО) при достаточно высоких энергетических показателях используется преобразование по схеме: ПЧ - АД -редуктор - РО. При этом ПЧ регулирует скорость в диапазоне (2-КЗ), а дальнейшее снижение скорости осуществляет редуктор, увеличивая при этом момент. При такой схеме требуется ПЧ и АД меньшей мощности по сравнению с прямым регулированием.
В литературе приводятся различные значения коэффициента мощности % для вентильных преобразователей (или сопо первой гармонике) [2,5], поэтому цель исследований заключалась в получении результатов, дающих более объективную оценку по исследуемым характеристикам.
Основные соотношения для интересующих величин при несинусоидальном токе и напряжении: [1,2,5,7]:
Коэффициент мощности и соб^ (трёхфазной цепи):
х= Г^-;С05<р= (1)
Действующее (среднеквадратичное) значение несинусоидального тока:
/ = ^ ¡1 + ч + /| + /|+ ... + /2. (2)
Активная мощность несинусоидального тока:
Р = ,/U0-I0 + U1-ll-coscp1 + U2-I2-cos (р2 + Un ■ 1п ■ cos <рп. (3)
Коэффициент мощности неуправляемого выпрямителя:
7 = Т7"Т~ = f- = v. (4)
Уф'ф ' ф
Мощность искажения:
Т= иф1 ■ /ф1 ■ л/Т^Д = v'S.Tx - PL - Q2 (5)
Для управляемого выпрямителя:
Рвх = иф ■ /ф1 cos cpi = vlVV cos <Ръ (6)
5 = JT2 + P2 + Q2. (7)
Коэффициент мощности:
x = V /-= V'C0S(P i (8)
Через ЭДС Ed и Edo:
Ed = Ed0 ■ cosa; соs(px = cosa = —. (9)
Edo
В приведённых выражениях:
Рвх - активная мощность на входе ПЧ;
t/ф, /ф - действующие значения фазных напряжения и тока;
иф1, /фХ - их первые гармонические составляющие;
U0,Iо - постоянные составляющие напряжения и тока;
V - коэффициент искажения;
cos ср1 - коэффициент мощности по первым гармоникам тока и напряжения; Ed и Edo - ЭДС на выходе выпрямителя;
а - угол управления выпрямителя (угол открытия транзисторов или тиристоров); п - номер гармоники.
В задачи экспериментальных исследований входило:
- Определить коэффициент мощности и гармонический состав на входе ПЧ при различных частотах и загрузках.
- Оценить изменение КПД и % (или cos ср1) электродвигателя при питании его от ПЧ по сравнению с паспортными данными.
- Сравнить результаты эксперимента, полученные различными способами измерения с данными, полученными расчётом другими авторами.
Исследования проводились на лабораторном стенде ПЧ - АД (рис. 2), а его оборудование имеет следующие характеристики:
- Преобразователь частоты MOVITRAC фирмы SEW EURODRIVE. Мощность - 2,2 кВт; частота < 400 Гц; частота ШИМ - 4,8,12,16 кГц; j = const с IxR- компенсацией; UBX = 3 * 380 В.
- Асинхронный двигатель АИР90Ь4УЗ; мощность Р2н = 2,2 кВт; схема соединения обмоток - Y, /1н = 5 А; Г]и = 0,81; cos срн = 0,83; 2р = 4; sH = 0,067; sK = 0,33 [10].
- Нагрузочный генератор постоянного тока П-13: Р2н = 1,9 кВт; /ан = 8,6А; {/ан = 220 В; пн = 2050 об/мин; т]и = 0,785.
Загрузка двигателя регулировалась изменением сопротивления в цепи якоря генератора постоянного тока._
Рис. 2. Внешний вид экспериментальной установки
Особое внимание в эксперименте было уделено точности измерений. С этой целью для регистрации и измерения токов, напряжений и мощностей использовались настольные приборы электромагнитной и электродинамической систем с классом точности 1,0; электронный двухлучевой осциллограф, энергомонитор, отображающий все электрические величины и разложение в ряд Фурье кривых тока и напряжения до 40 - ой гармоники.
Отметим, что энергомонитор измеряет Р]^ и (?i(no первой гармонике) и рассчитывает pi
cos ср1 как cos <Pi= i поэтому значение cos cp1 > х, причем неравенство усиливается с Jpi+QI
ростом коэффициента искажения, т.е. с увеличением удельного веса высших гармоник в кривой тока. Действующее значение тока первой гармоники рассчитывалось по разложению в ряд Фурье.
Б
а - холостой ход ^ = 50 Гц); б - рабочий режим ^ = 50 Гц, К3 = 1)
При проведении эксперимента с помощью двухлучевого аналогового осциллографа были получены осциллограммы кривых тока и напряжения на входе преобразователя частоты при различных режимах работы. На рис. 3 представлены осциллограммы, соответствующие режиму холостого хода (рис. За) и рабочему режиму с номинальной загрузкой двигателя (рис. 36) при частоте { = 50 Гц. Видно, что из сети потребляется
несинусоидальный ток, степень несинусоидальности которого зависит от загрузки двигателя. При этом потребление реактивной мощности также зависит от загрузки, а реактивный ток увеличивает потери в сети при передаче электроэнергии [2]. Соотношения (1-8) и рис. 3 подтверждают, что активная и реактивная мощности передаются из сети только первой гармоникой тока, согласно (3), т.к. Цф = Цф1.
Таблица 1. Разложение кривой тока в тригонометрический ряд Фурье
№ гармоник!}/ Холостой ход Рабочий режим (под нагрузкой) Выпрями-
/ тель
режим / загрузка(к3) 25 Гц 50 Гц 25 Гц 25 Гц 50 Гц 50 Гц
К3 = 0 К3 =0 К3 = (0.75) К3 =(1.0) К3 = (0.75) К3 =(1.0)
1 100 100 100 100 100 100 100
3 6,45 4,5 2,2 1,5 0,62 0,35 30,2
5 88 82,4 52 45,8 32,3 28,3 75
7 81,5 72,9 28,1 24,9 18,3 16,57 77
9 6 2,9 1,2 1 0,5 0,29 30
11 57,7 43,7 22,5 19,8 13,3 12,1 75
13 50 32,4 22,2 18,8 12,34 11,4 72
15 1,6 2 1,5 1,2 1 0,6 24
17 32 22,4 15,6 14,3 10,73 9,5 69
19 32 28 11,3 9,25 6,94 6,5 62,5
21 1 0,78 0,63 13,9
23 30,5 26,7 13,45 11,4 8,15 7 62
25 31,2 29,2 10,45 8,6 6,13 5,26 45
27 1,8 1,8 0,3 0,2 12
29 25 19,5 11,9 10 7 6 35
31 23,2 17,4 9,6 7,2 4,9 4,1 15
33 1,1 0,3 0,3 3
35 13,4 10,85 8,9 7,8 6,2 5,45 20,5
37 9 10,4 6,7 4,9 2,9 2,3 27
39 1 0,3 0,3 1,6
< «г- ° 1Л < оо ;> (м ч; с о" о 1 ...... < < о № N т £ " оо 43 , О о || 11 II ^ < < Ь 03 I** О* — т—1 - | „ э: 2 < Ч о 1Л 00 СЧ см" 1 ...... < < с 1-» ^ чО °2 тг 1Л ~ " " II II II < о < ~ я, Я п ^ '1 - < < о й ^ "Г N л ^ о 5 , ° о II II II ^
Таблица 2. Результаты расчёта искомых величин по измерениям, полученным в ходе
эксперимента
Величина^ режим ^ВХ'А V ^вх СОБ (рвх Лт ЧАД Хад
Хол. Ход 25 Гц 0,47 0,521 0,5 0,986 0,75 - 0,17
Хол. Ход 50 Гц 0,632 0,584 0,56 0,989 0,81 - 0,369
25 Гц К3 = 0,75 2,195 0,811 0,78 0,983 0,93 0,81 0,9
25 Гц К3 = 1,0 2,5 0,844 0,85 0,988 0,944 0,8 0,95
50 Гц К3 = 0,75 3,58 0,907 0,9 0,997 0,95 0,83 0,82
50 Гц К3 = 1,0 4,33 0,924 0,93 0,998 0,96 0,82 0,85
Только выпрямитель 0,064 0,391 0,323 0,829 0 0 -
В табл. 1 приведены разложения в ряд Фурье кривой тока в режимах холостого хода и при загрузке двигателя К3 = 75 и 100%. В табл. 2 приведены значения cos^, коэффициента искажения v, КПД ПЧ и АД, eos ср 1ад, которые рассчитывались по результатам измерений.
Результаты исследований характеристик электропривода, приведённые в табл. 1 и 2, позволили сделать следующие выводы:
1. Коэффициент мощности ПЧ (в данном случае неуправляемого выпрямителя) зависит от коэффициента загрузки К3 (рис. 3, табл. 2) и имеет наименьшее значение в режиме холостого хода. При загрузке К3 > 0,5, значение % = (0,85 ^ 0,95). Результаты (расчётные) в [2] совпадают с опытными данными только при К3 > 0,5.
2. Коэффициент искажения v имеет наибольшее значение в режиме холостого хода (рис. 4), а при загрузке К3 > 0,5 - v = (0,85 ^ 0,92). Следовательно, выводы [1,5] подтвердились.
3. КПД асинхронного двигателя (после ПЧ) имеет несколько меньшее значение (~ на 1-^2%) по сравнению с паспортными данными из-за потерь от высших гармоник.
4. Коэффициент мощности (или eos ср1) оказался выше чем указанного в паспорте АД (~ на 2%) из-за роста потерь (см. п.З по КПД).
5. Несинусоидальная форма входного тока негативно сказывается на работе электрической сети (искажает форму напряжения). Количественно это влияние зависит от мощности сети.
6. Нельзя не отметить вопросы электромагнитной совместимости, подробно изложенные в инструкциях фирм - производителей ПЧ [8], коротко в [7].
7. КПД самого преобразователя частоты, как и следовало ожидать, r¡U4 = (0,93 -н 0,96) зависит от частоты широтно - импульсной модуляции (ТТТИМ) с ростом /шим КПД преобразователя несколько снижается из-за потерь в вентилях.
Литература
1. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи. М.: Энергия, 1979.-591 с.
2. Энергосберегающий асинхронный электропривод / Под ред. И.Я. Браславского. - М.: ACADEMIA, 2004. - 248 с.
3. Лезнов B.C. Энергосбережение и регулируемый привод насосных и водонапорных установок. - М. : Энергоатомиздат, 2006. - 350 с.
4. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Регулируемые электроприводы переменного тока - Минск, 2006. - 363 с.
5. Горбачёв Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1988.- 320 с.
6. SEW EURODRIVE. Преобразователи частоты MOVITRAC 07. Системное руководство, 2008.- 58 с.
7. Епифанов А.П., Малайчук Л.М., Гущинский А.Г. Электропривод / Под ред. Епифанова А.П. - СПб: Лань, 2012. - 392 с.
8. Электромагнитная совместимость. SEW EURODRIVE. Практика приводной техники. -СПб, 2003.-91 с.
9. Вольдек А.И. Электрические машины. - М.: Энергия, 1966. - 782 с.
10. Асинхронные двигатели общего назначения / Под ред. В.М. Петрова, А.Э. Кравчика. -М.: Энергия, 1980.-488 с.
