CC BY
16
УДК 621.313.333.2:622.276.33
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОМ КОММУТАТОРЕ ФАЗ ПОГРУЖНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
ELECTROMAGNETIC PROCESSES IN THE ENERGY-EFFICIENT SWITCH PHASE SUBMERSIBLE
INDUCTION MOTOR
В. З. Ковалев1, В.О. Бессонов1 , Е. М. Кузнецов2, В. В. Аникин3
'Югорский государственный университет, г. Ханты-Мансийск, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 3Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск, Россия
V. Z. Kovalev1, V.O. Bessonov1, Ye. M. Kuznetsov2, B. B. Anikin3
' Ugra State University, Khanty-Mansiysk, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia 3Nizhnevartovsk State University, Nizhnevartovsk, Russia
Аннотация. Рассматривается коммутатор, осуществляющий короткое замыкание фаз погружного асинхронного электродвигателя в однофазном включении со стороны входных зажимов с целью идентификации его параметров методом затухания начального постоянного тока статора. Анализируются электромагнитные процессы в коммутаторе, выполненном по однофазной мостовой схеме на ключевых МДП транзисторах при реверсивном несимметричном широтно-импульсном регулировании, обеспечивающем энерогэффективное и плавное управление начальным током от 0A до 20A с наименьшими пульсациями. Получено соотношение для оценки относительных пульсаций тока статора. Представлена циклограмма тока обмотки статора, содержащая два участка. Первый иллюстрирует режим перемагничивания маг-нитопровода электродвигателя, второй характеризует испытательный режим, завершающийся формированием переходной характеристики затухания тока обмотки статора.
Ключевые слова: МДП транзистор, короткое замыкание, широтно-импульсное регулирование, идентификация параметров электродвигателя.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-29-33
Работа выполнена при поддержке Научного фонда ЮГУ № 13-01-20/25
This work was supported by the science foundation of Yugra State University under grant no. 13-01-20/25.
I. Введение
Энергоэффективный коммутатор осуществляет замыкание накоротко фаз погружного асинхронного электродвигателя (ПЭД), питаемого в исходном положении постоянным током /0, для получения переходной характеристики затухания тока статора с целью идентификации его параметров методом затухания [1, 2, 3]. Коммутатор выполнен по мостовой схеме на МДП транзисторах типа IRL2505 фис. 1), работающих в ключевом режиме. К выходной диагонали моста, оснащенной датчиками тока ДТ1 и ДТ2 типа LA-50P, подключается в однофазном режиме обмотка статора испытуемого ПЭД. На входную диагональ, снабженную датчиком напряжения ДН типа LV-25-P, подается напряжение UG1 G3 с аккумуляторной батареи G1...G3, ступенчато регулируемое до 36В с помощью магнитных пускателей КМ1...КМ3. Согласно справочным данным [4], сопротивление IRL2505 ключа в замкнутом (проводящем) состоянии, максимальное, составляет 0.008 Ома. При этом
внутреннее сопротивление коммутатора при замкнутых МДП-ключах VT14,VT15 (либо VT13, VT16) с учетом входного сопротивления датчиков тока ДТ1, ДТ2 и сопротивления монтажных проводов имеет значение от 0.01 до 0.011 Ома [5], которое можно практически не учитывать в сравнении с активным сопротивлением обмотки статора при однофазном включении ПЭД по схеме неполной звезды.
Быстродействие IRL2505 ключей характеризуется типовым значением времени включения tr = 160/ п [4] и
типовым временем выключения tr = 84/ п.
Рис. 1. Принципиальная схема энергоэффективного коммутатора
При таких динамических параметрах влиянием переходных процессов и коммутационных выбросов напряжения на характеристику затухания также можно пренебречь начиная с моментов времени порядка 4.0 6 п. Как известно [6], в мостовых схемах возможны симметричный и несимметричный способы широтно-импульсного регулирования (ШИР) тока /0 в обмотке электродвигателя. В энергоэффективном коммутаторе (рис. 1) применено наиболее рациональное реверсивное несимметричное ШИР транзисторными ключами УТ13...УТ16, обеспечивающее меньший уровень пульсаций тока /0 в сравнении с симметричным ШИР.
Целью статьи является актуальное рассмотрение электромагнитных процессов в коммутаторе с реверсивным несимметричным ШИР при снятии характеристики затухания тока статора ПЭД, изучение циклограммы его работы, реализуемой программным путем с помощью микроконтроллера ATmega 16, а также вывод соотношения для оценки пульсаций начального тока 10.
II. Электромагнитные процессы в коммутаторе фаз ПЭД При реверсивном несимметричном управлении магнитопровод ПЭД перемагничивается под действием выходного напряжения коммутатора, как и в реальных условиях эксплуатации ПЭД, по симметричному частному гистере-зисному циклу ОМ (рис. 2) за счет изменения направления тока в обмотке статора в течение двух полупериодов.
___(Г Т/У/Г 1 / С*^ ( / /
1 /
Вт 1 1 1 / //л/ 1 /
\ / -Ншх | / Л /у А ' Не/\Ншах
\ /4к / А А// 9
А1 АУ%> /
Рис. 2. Циклы перемагничивания магнитопровода статора электрической машины: В - остаточная индукция, Ис - коэрцитивная сила
Во время первого полупериода постоянно открыт верхний ключ (УТ14), а нижний (УТ15) коммутируется драйвером в соответствии с законом ШИР, формируемым микроконтроллером. Последний подбирает и устанавливает программным путем скважность %ё = ^ / Т коммутации УТ15 (рис. 3а), обеспечивающую в обмотке
статора ПЭД протекание необходимого начального тока /0, который равен среднему значению тока в этой обмотке (рис. 3б) и регистрируется с помощью ДТ2. Изменением скважности от 0 до 1 обеспечивается энергоэффективное плавное управление значениями начального тока /0 в диапазоне от 0А до 20А. Электромагнитные процессы в коммутаторе при данном способе ШИР протекают следующим образом. В течение времени 1Ь (рис. 3б) периода коммутации Т замкнут транзистор VT15; обмотка статора ПЭД запасает энергию в электромагнитном поле за счет нарастающего тока \, протекающего по контуру «плюс ио1 03- VT14 - ДТ1 - ДТ2 -ПЭД - УТ15 - минус иа1а 3».
Рис. 3. Временные диаграммы напряжений и токов в обмотке статора ПЭД
В течение интервала ^ = Т - ^ транзистор VI15 находится в непроводящем состоянии. Запасенная энергия частично рассеивается на активном сопротивлении г обмотки статора ПЭД и поддерживает протекание спадающего тока 7\ по контуру «ПЭД - диод УТ13 - УТ14 - ДТ1 - ДТ2 ПЭД». Индуктивности обмотки статора ПЭД подавляют пульсации тока Д^, выполняя роль сглаживающего фильтра.
Для оценки относительных пульсаций 8\ тока обмотки статора ПЭД (рис. 3в) принимаем из практических соображений несущую частоту ШИР / = 1/ Т равной порядка единиц килогерц, а интервалы коммутации транзисторов Т соответственно равными от долей до единиц миллисекунд, что характерно для крутого участка переходной характеристики затухания тока обмотки статора [7]. Как установлено в [7], для этого участка без какой-либо значительной ошибки можно пренебречь влиянием элементов параллельной ветви намагничивания Т-образной схемы замещения ПЭД на величину пульсаций Д^ тока статора. Учитывая, что последние создаются переменной составляющей напряжения обмотки статора щ ПЭД (рис. 3а), можно составить уравнение баланса напряжений для интервала
й1,
,- иш.= (¿1 + X)--1 + (г + г2) • )
М
и интервала
иш.= (¿1 + ¿2) • ^ - 01 + Г2) • ¡1«),
М
(1)
(2)
в которых путем замены производных соответственно на отношения Д^ / %ё • Т и Д^ / (1 — %ё) • Т определить пульсации тока как
Д (1—1,)-и0,..ет • Т /(¿1 + (3)
И, используя далее соотношение = Д^ //0, получить следующее уравнение:
= ^ (1 -Ж,) •и01...0з/10 • г • (X + X).
(4)
В уравнениях (1...4) приняты обозначения: иш - среднее значение ШИР напряжения щ , приложенного к обмотке ПЭД; Ц и Ц - соответственно индуктивность рассеяния обмотки статора в однофазном включении и приведенная к статору индуктивность рассеяния обмотки ротора ПЭД; г2 - приведенное к цепи статора активное сопротивление обмотки ротора ПЭД. Замена в (4) а3 / /0 на г / Хё ~ 0 5 • (г + г) / Хё дает следующее выражение для оценки относительных пульсаций тока /0 в обмотке статора ПЭД на интервалах 1Ь и ^
1 ~Хь
=
где
Т = Т2
2 • / • Т2 Ц + Ц
(5)
(6)
постоянная времени крутого участка переходной характеристики затухания тока статора ПЭД [7]. Подстановка в (5) приемлемой величины пульсаций 3\ = 0.01 и значения Т2 = 2.3 • 103п (ПЭД типа ЭД90Т-117-1300 [7]) дает при Хё = 0.5 следующую оценку для несущей частоты ШИР переключения транзисторов Т13...Т16. / = 10.86 кГц. Учитывая высокое быстродействие МДП транзисторов типа ЖЬ2505, полученный результат является реальным и реализован в коммутаторе (рис. 1).
Во втором полупериоде МДП транзисторы коммутатора меняются ролями - постоянно открыт верхний ключ УТ13, а нижний УШ6 переключается драйвером с ранее установленной скважностью Хё, что обеспечивает изменение направления протекания тока /0 в обмотке ПЭД и перемагничивание магнитопровода ПЭД по симметричному гистерезисному циклу. Число циклов перемагничивания задается программным путем. Следует отметить, что помимо реверсивного ШИР возможно также более простое нереверсивное несимметричное ШИР состоянием МДП транзисторных ключей. Однако при таком ШИР происходит одностороннее намагничивание магнитопровода ПЭД по ветвям несимметричного предельного гистерезисного цикла МО (рис. 2), который отличается от симметричного цикла N0 своей формой, площадью и магнитной проницаемостью. Это приводит к методической погрешности формирования переходной характеристики затухания, достигающей по информации [8] 8... 11%.
По завершении установленного числа циклов симметричного перемагничивания магнитопровода ПЭД микроконтроллер в очередной раз меняет состояние проводимости верхних МДП ключей и переводит коммутатор в испытательный режим. В течение этого режима плавно регулируется скважность ШИР коммутации соответствующего нижнего ключа от значения равного нулю до установленного значения х . Соответствующая экспериментальная циклограмма тока в обмотке ПЭД, полученная на учебном стенде тестирования погружного электродвигателя ФГБОУ ВО «Югорский государственный университет», приведена на рис. 4.
П.А
ш
1
А 0\ 1
У -
V. л г] С 1, МКС
г <10* 9* ш' 1-ЗЛяЮ { ' '10т 213» 10* 3.7 »10* 3.13*10* 36
г V __
щ
Рис. 4. Циклограмма тока в обмотке ПЭД, формируемая датчиком ДТ1 при несущей частоте ШИР, равной 1 кГц; 1 - испытательный участок циклограммы
При достижении нарастающим током \ (/) установленного начального значения /0 микроконтроллер переводит коммутируемый нижний ключ в непроводящее состояние, давая начало переходному процессу затухания тока обмотки статора ПЭД, обозначенному на рис. 4 цифрой 1, при котором ток обмотки замыкается по контуру «ПЭД -диод УГ13 -УГ14 - ДТ1 - ДТ2 - ПЭД». Одновременно с началом переходного процесса активизируется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) платы сбора данных ЛА-20и8Б [9], который принимает сигналы с ДТ1 и работает в старт-стопном режиме для оцифровки характеристики затухания тока статора ПЭД. По завершении старт-стопного режима оцифрованный массив данных, накопленных в оперативной памяти ЛА-20и8Б, автоматически экспортируется в ноутбук для последующей обработки и идентификации параметров ПЭД.
III. Выводы
Проведен анализ электромагнитных процессов, протекающих в однофазном мостовом коммутаторе фаз ПЭД, выполненном на МДП транзисторах, работающих в ключевом режиме при реверсивном несимметричном ШИР, обеспечивающем энергоэффективное и плавное управление начальным постоянным током ПЭД в диапазоне от OA до 20 A.
Получено соотношение для оценки относительных пульсаций начального тока ПЭД в зависимости от несущей частоты, скважности ШИР, а также от постоянной времени крутого участка переходной характеристики затухания тока статора ПЭД.
Список литературы
1. Кузнецов Е. М. , Аникин В. В. Определение электромагнитных параметров погружных электродвигателей установок электроцентробежных насосов II Динамика систем механизмов и машин. 2016. № 2. С. 95- 99.
2. Kovalev A. Ye., Kuznetsov E. M., Anikin V. V. Diagnostic unit for electrical submersible motors and their rotor packs // IEEE Conference 2014 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2014. P. 1-4. DOI: 10.1109/ Dynamics. 2014.7005670.
3. Ковалев В. З., Щербаков А. Г., Архипов В. А., Ковалев А. Ю., Аникин В. В. Идентификация параметров схемы замещения погружных асинхронных двигателей II Промышленная энергетика. 2012. № 1. С. 38-41.
4. IRL2505 Datasheet (PDF)-International Rectifier URL: www. irf. com / irl2505.pdf (дата обращения: 05.06.2018).
5. АТТЕСТАТ № 0573. Мобильная установка регистрации переходных характеристик в электротехнических объектах РПХ-20. Регистрационный № 0573 от 09 октября 2014 I РОССТАНДАРТ Федеральное бюджетное учреждение «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Омской области».
6. Герман-Галкин С. Г., Лебедев В. Д., Марков Б. А., Чичерин Н. И. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. Л. : Энергоатомиздат, 1986. 248 с.
7. Пат. 2623834 Российская Федерация, МПК G 01 R 27I26. Способ определения электромагнитных параметров асинхронных электродвигателей I Кузнецов Е. М., Ковалев А. Ю., Аникин В. В. № 2016104186; заявл. 09. 02.16; опубл. 29. 06.17, Бюл. № 19.
8. Бронский Е. А. Определение частотных характеристик гидрогенератора СВ - 1500I200 - 88 II Сб. Теория,
расчет и исследование высокоиспользованных электрических машин. М.: Наука, 1965. С. 85-94.
9. ЛА-20USB Многофункциональная плата аналогово-цифрового преобразования для IBM PC/AT совместимых компьютеров на шину USB. Руководство пользователя ВКФУ. 411619.042РП. 2014. 46 с.
УДК 621.314.57
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ГИБРИДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
MODES OF WORK OF HYBRID ELECTROMAGNETIC ELEMENTS IN THE INDUCTIVE-CAPACITIVE CONVERTERS
С. Г. Конесев1, Р. Т. Хазиева1, Р. В. Кириллов2
'Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Россия 2Энергодиагностика, г. Уфа, Россия
S. G. Konesev1, R. T. Khazieva1, R. V. Kirillov2
'Ufa State Petroleum Technological University, Ufa,Russia 2Energodiagnostika, Ufa, Russia
Аннотация. Улучшить технико-экономические показатели, ускорить процесс разработки, повысить технологичность и надежность, а также снизить себестоимость источников вторичного электропитания (ИВЭП) позволяют методы функциональной интеграции электромагнитных элементов (ЭМЭ). Авторами предлагается использование в качестве индуктивно-емкостного преобразователя (ИЕП) гибридного ЭМЭ, называемого «многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент» (МИЭК).
