CC BY
1
the general and three special cases. Calculations are made for three states of the electrical system. The analysis of the rate of change of the difference of electromotive forces of generators from the ratio of their modules is carried out.
Key words: oscillation mode, asynchronous running, difference in electromotive forces of generators.
Slabzhennikova Irina Mikhailovna, candidate of physical and mathematical sciences, docent, [email protected], Russia, Vladivostok, Far Eastern State Technical Fisheries University,
Matafonova Elena Petrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Vladivostok, Far Eastern State Technical Fisheries University
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-406-407
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЦИИ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА В ЦЕПИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ МОМЕНТОМ
А.В. Вынгра
Электроприводы с изменяющимся моментом, согласно государственным стандартам, являются одним из источников эмиссии гармоник в электрическую сеть. Такими электроприводами являются, в частности, электроприводы поршневых компрессоров. В работе рассматривается проведение экспериментального исследования интеграции активного фильтра в цепи питания таких электроприводов. Произведен теоретических анализ проблематики исследования, рассмотрены положительные и отрицательные стороны применения активных фильтров для повышения качества электроэнергии, определены пути развития данной отрасли. На спроектированном лабораторном стенде произведены измерения суммарного коэффициента гармонических составляющих тока и напряжения для случаев работы электропривода без активного фильтра и с активным фильтром. Также произведены вычисления спектра тока, выделены интергармоники. Спектральный анализ показал, что разность кривой измеренного тока и основной гармоники состоит из интергармонических составляющих (гармоник, некратных частоте сети). Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока составил 12%, и снизился при работе активного фильтра до 3,5%. Экспериментальное исследование применения активного фильтра по возмущению на примере электропривода поршневого компрессора показало так же снижение амплитуд интергармонических составляющих тока в два реза.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, интергармоники, качество электроэнергии, активный фильтр.
Нелинейные характеристики многих промышленных и коммерческих нагрузок, таких как силовые тири-сторные преобразователи, люминесцентные лампы, компьютеры, диммеры, электроприводы с изменяющимся моментом и частотные преобразователи, сделали гармонические искажения обычным явлением в электрических сетях.
В работах современных авторов было предложено несколько решений для повышения качества электроэнергии, начиная с пассивных фильтров (ПФ) и заканчивая активными фильтрами (АФ) и фильтрокомпенсирующи-ми устройствами. Например, в работе [1], автор обсудил как их потенциал, так и проблемы развития. В отличие от ПФ, современные активные фильтры (АФ) имеют следующие многочисленные функции: фильтрация гармоник, демпфирование, изоляция и согласование, управление реактивной мощностью для коррекции коэффициента мощности и регулирования напряжения, балансировка нагрузки, уменьшение фликера напряжения и/или их комбинации. В работе [2], автор рассматривает АФ для регулирования мощности, показывая, что их можно разделить в зависимости от конфигурации и подключения на три основные категории: параллельные, последовательные и гибридные активные фильтры
Активные фильтры в настоящее время получили уже немалое развитие, однако в большинстве случаев их принцип заключается в паразитном потреблении тока при искажении напряжения и рассчитан на улучшение качества напряжения для конкретного устройства, а не энергетической системы в целом.
Одним из основных минусов работы активных фильтров в настоящее время является время реакции на отклонение, связанное с временем, затрачиваемым на измерение и обработку данных. В предложенном автором устройстве этот минус решаем за счет работы по возмущению эталонного сигнала, а не по отклонению [3].
Для произведения экспериментального исследования интеграции активного фильтра в цепи питания электропривода с изменяющимся моментом собран лабораторный стенд, включающий в себя следующее оборудование
[4]:
1. Поршневой холодильный судовой компрессор, Bitzer 4TCS-8.2Y;
2. Электропривод 10,3 кВт;
3. Пассивный фильтр DL-25EB3, 25А;
4. Измерительные приборы:
a. Анализатор качества электроэнергии Janitza UMG 104;
b. Осциллограф АКИП;
c. Трансформатор тока 50/5А;
d. Аналогово-цифровой датчик тока на основе эффекта Холла.
Основным измерительным устройством качества электрической энергии выступал анализатор качества электроэнергии Janitza UMG 104.
Снятие характеристик тока, напряжения, гармонического искажения тока и напряжения электродвигателя. На разработанном стенде производилось измерение электрических характеристик электропривода поршневого компрессора для случаев работы без активного фильтра и с активной фильтрацией тока. Результаты измерений суммарного коэффициента гармонических составляющих (СКГС) тока и напряжения электропривода представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты измерений__
Параметр Сеть Холостой ход С пассивным фильтром С активным фильтром
СКГС тока - 0,1% 12 3,5%
СКГС напряжения 2% 2% 7,5% 4%
Осциллограммы напряжения на клеммах электродвигателя экспериментальной установки приведены на рисунке 1. Из полученных экспериментальных данных видно, что кривая напряжения неизменна при работе установки с фильтром и без него [5-7].
Осциллограммы тока фазы А (в о.е. от номинального тока статора) при работе компрессора без активного фильтра приведены на рисунке 2., где отчётливо видно, что у различных периодов проявляется биение синусоиды тока и сами периоды отличаются временем. СКГС тока составил 12%.
50 |
-50 1
Л.
50
1
50
•амллшллалшалам,
-50 1
в.
Рис. 1. Токи фазы А: холостой ход (А), без пассивного фильтра (Б) напрямую с пассивным фильтром (В)
Рис. 2. Осциллограмма тока фазы А
Осциллограммы и спектр показывают, что разница результатов, полученных при моделировании и на экспериментальной установке несущественная, и составляет не более 10% для спектра тока. Интергармоническими составляющими (ИГС) тока с наибольшей амплитудой при моделировании являлись гармоники с частотой 21 и 77 Гц, а при эксперименте - 27 и 72 Гц. Амплитуды соответствующих гармоник составили относительно амплитуды первой гармоники 4% и 7% при моделировании и 12% и 10 % в процессе эксперимента [8].
Отклонения обусловлены допущениями, принятыми в ходе составления модели, а также погрешностью измерительных приборов. Так же, в работе [9] на основе анализа данных испытаний работающего трехфазного асинхронного двигателя мощностью 7,5 кВт с механической нагрузкой воздушного компрессора установлено, что при работе двигателя воздушного компрессора генерируются интергармоники напряжения и тока частотой 37,5 и 62,5 Гц.
Так как активный фильтр спроектирован для подавления искажения кривой тока, подробнее рассматривается вопрос выделения интергармонического искажения тока статора электродвигателя.
Исследование гармонического состава тока электродвигателя. Для дальнейшего исследования выделена основная гармоника напряжения и получена разница с фактическим значением тока. На рисунке 3 представлено наложение основной гармоники и фактического значения тока.
Разница между фактическим током и его первой гармоникой представлена на рисунке 5.
Искажение тока имеет некоторую повторяемость и периодическую форму, для которой производится спектральный анализ (рисунок 4).
На рисунке 4 отчетливо видно, что форма пульсации тока в фазе электропривода по форме и частоте схожи с формой периодической нагрузки на валу электропривода при нагрузке.
Спектральный анализ показал, что разность токов состоит из интергармоник некратной частот. СКГС тока составил 12%.
В ходе исследования была разработана программа для ПК [10], позволяющая производить анализ гармонического и интергармонического состава сигнала с осциллографа в матричном виде.
т/штттт^.
0,1
} ¥ Л
/
/ u /
/ / /
/ /
/ \ I / \
/
n
-Фактический
гармоника
0,02 0,025
0,(№ 0,05 0,055 - 1я ГДрМОКИКЛ
Рис. 3. Наложение основной гармоники тока на фактическое значение тока
0,035 0,04 -Фактический —
а) т'с б)
Рис. 4. Разница основной гармоники тока и фактического значения тока (а) и ее спектр (б)
Испытания с применением разработанного активного фильтра. В результате эксперимента были получены осциллограммы и спектры тока при работе компрессора без активного фильтра и с фильтрацией.
На рисунке 5 видно, что при включении в цепь питания электропривода поршневого компрессора амплитуды интергармоник уменьшаются на 50% при том, что основная гармоника тока не изменяет своей амплитуды. СКГС тока без активного фильтра составляет 12%, при включении в цепь активного фильтра уменьшается до 3,5%.
В реальном устройстве не происходит полного подавления интергармонического искажения из-за ряда допущений и округлений при работе измерительной аппаратуры и вычисления спектра.
Эксперимент показал, что спроектированное устройство способно генерировать периодический трехфазный симметричный и несимметричный токи различного гармонического спектра и компенсировать ими ИГС тока нагрузки электропривода поршневого компрессора. В лабораторных условиях устройство позволило снизить амплитуды интергармонических составляющих тока электропривода воздушного компрессора на 50%, тем самым понизив СКГС тока на 8,5%.
Таким образом, предложенные методы и рекомендации по обеспечению качества электроэнергии путем компенсации интергармонических составляющих активным фильтром по возмущению могут быть применены как в системах с ЭП поршневых компрессоров как малой, так и большой мощности [11].
Заключение. Экспериментальное исследование применения активного фильтра по возмущению на примере электропривода поршневого компрессора показало снижение СКГС с 12% до 3,5% и интергармонических искажений тока на 50%. Показано, что применение алгоритмов работы активного фильтра по возмущению позволяет увеличить производительность активного фильтра и улучшить процесс подавления интергармонического искажения тока сети при работе электроприводов с изменяющимся моментом.
Список литературы
1. Passive filters - potentialities and limitations. / JC. Das S. Member // IEEE Trans Ind Appl. 2004. 4(1).
P. 232-241.
2. Akagi H. Active harmonic filters. Proc IEEE. 2005. 93(12). P. 2128-2141.
3. Мещеряков В.Н. Активный фильтр электроэнергии с общим звеном постоянного тока и системой управления на основе релейного регулятора тока / В.Н. Мещеряков, М.М. Хабибуллин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2014. №7. С. 26-33.
4. Мещеряков В.Н. Компенсация гармонических искажений и реактивной мощности в однофазных электрических сетях посредством параллельного активного фильтра электроэнергии на базе релейного регулятора тока / В.Н. Мещеряков, М.М. Хабибуллин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. Новочеркасск. 2013. №4. С. 54-57.
5. Михайлов В.В. Математическое моделирование параллельного компенсатора мощности / В. В. Михайлов, М. В. Позднов // Технические науки в России и за рубежом : материалы II Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2012 г.). М.: Буки-Веди, 2012. С. 69-74.
6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023611158 Российская Федерация. Формирование управляющего сигнала силового активного фильтра для компенсации интергармонических составляющих тока: № 2022686734: заявл. 28.12.2022: опубл. 17.01.2023 / А. В. Вынгра; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Керченский государственный морской технологический университет».
7. Авдеев Б.А. Интеллектуальные энергоэффективные системы морских судов // Вестник Керченского государственного морского технологического университета. 2021. № 4. С. 99-113. DOI 10.47404/2619-0605_2021_4_99.
8. Авдеев Б.А. Комплексные решения интеграции постоянного и переменного токов в адаптивных интеллектуальных распределительных сетях с помощью твердотельного трансформатора / Б. А. Авдеев // Энергобезопасность и энергосбережение. 2022. № 3. С. 15-20. DOI 10.18635/2071-2219-2022-3-15-20.
9. Zhiyuan M. Interharmonics analysis of a 7.5 kW air compressor motor / M. Zhiyuan, M. Xiong, L. Le, X. Zhong // Open Access Proceedings Journal. 2017. P. 738-741. D0I:10.1049/oap-cired.2017.1132.
10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020616882 Российская Федерация. InterHarmonics Analyzer: № 2020615843 : заявл. 08.06.2020: опубл. 25.06.2020 / А. В. Вынгра, Б. А. Авдеев, Бюл. № 7. 2.76 Мб.
11. Кучерюкова М.В. Повышение энергоэффективности технологических процессов применением электронных средств управления качеством электроэнергии // Образование, наука и молодежь - 2022 : Сборник трудов по материалам Научно-практической конференции студентов и курсантов. Керчь: ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет», 2022. С. 27-30.
Вынгра Алексей Викторович, старший преподаватель, [email protected], Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
STUDY OF THE INTEGRATION OF AN ACTIVE FILTER IN THE POWER CIRCUIT OF AN ELECTRIC DRIVE WITH
VARIABLE TORQUE
A.V. Vyngra
Electric drives with variable torque, according to GOST, are one of the sources of harmonic emissions into the electrical network. Such electric drives are, in particular, electric drives of piston compressors. The paper discusses an experimental study of the integration of an active filter in the power circuit of such electric drives. A theoretical analysis of the research problems was carried out, the positive and negative aspects of using active filters to improve the quality of electricity were considered, and ways of development of this industry were determined. On a designed laboratory bench, measurements of the total harmonic coefficient of current and voltage were carried out for cases of electric drive operation without an active filter and with an active filter. The current spectrum was also calculated and interharmonics were identified. Spectral analysis showed that the difference between the measured current curve and the fundamental harmonic consists of inter-harmonic components (harmonics that are not a multiple of the network frequency). The total coefficient of harmonic components of the current was 12%, and decreased when the active filter was operating to 3.5%. An experimental study of the use of an active disturbance filter using the example of an electric drive of a piston compressor also showed a decrease in the amplitudes of the interharmonic components of the current by two cuts.
Key words: asynchronous motor, experiment, power quality, active filter.
Vyngra Aleksei Viktorovich, lecturer, [email protected], Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological
University
