CC BY
6
Марченко А. А. Маг^е^о А. А.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергетические установки и электрооборудование судов», ФГБОУВО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский, Российская Федерация
УДК 621.313
Труднев С. Ю. Trudnev S. Yu.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергетические установки и электрооборудование судов», ФГБОУ ВО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский, Российская Федерация
DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-3-6-13
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРУЖЕНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
Авторами статьи даётся обоснование проблемы испытаний электрических машин после ремонта на судоремонтных предприятиях Дальнего Востока.
В качестве решения проблемы предлагается теория о возможности проверки технического состояния электродвигателей под номинальным током без применения специализированных стендов.
Авторами статьи представлены результаты испытаний асинхронного двигателя в режиме искусственного нагружения без применения механической нагрузки, выполненных при помощи компьютерных моделей.
Первоначально авторы разработали математическую модель асинхронного двигателя с учетом потерь в стали. Далее проводилось определение параметров схемы замещения двигателя для работы с электрическими машинами определенных параметров. В результате была разработана компьютерная модель электродвигателя с характеристиками, отличными от указанных в паспорте машины, не более чем 9 % .
После проверки модели в номинальном режиме авторами проводились эксперименты по искусственному нагружению асинхронного двигателя.
Для этого модель электродвигателя многократно переводилась в режим генератора с рекуперативным торможением, при этом производились броски тока и изменение момента на валу. При помощи программы Matlab было посчитано значение эквивалентного тока.
Опытным путём была доказана возможность использования генераторного режима для испытаний электрических машин без применения механической нагрузки с возможностью получения номинальных параметров электродвигателя.
Ключевые слова: электродвигатель, испытания электрических машин, рекуперативное торможение, электрический ток, нагрузка, векторная диаграмма, моделирование.
RESEARCH OF ASYNCHRONOUS MOTOR LOADING PROCESS IN GENERATOR BRAKING MODE
The authors of the article substantiate the problem of testing electric machines after repair at ship repair enterprises in the Far East.
As a solution to the problem, a theory is proposed about the possibility of checking the
technical condition of electric motors under rated current without using specialized stands.
The authors of the article present the results of tests of an asynchronous motor in artificial loading mode without the use of mechanical load, made using computer models.
Initially, the authors developed a mathematical model of an asynchronous motor taking into account losses in steel. Further, parameters of the engine replacement circuit for working with electric machines of certain parameters were determined. As a result, a computer model of an electric motor with characteristics other than those indicated in the machine certificate was developed, not more than 9 %.
After checking the model in nominal mode, the authors conducted experiments on the artificial loading of an asynchronous motor.
For this, the electric motor model was repeatedly switched to generator mode with regenerative braking, while current throws and a change in torque on the shaft were carried out. Using the Matlab program, the equivalent current value was calculated.
Experimentally, the possibility of using the generator mode for testing electric machines without the use of mechanical load with the possibility of obtaining nominal parameters of the electric motor was proved.
Key words: electric motor, tests of electric machines, regenerative braking, electric current, load, vector diagram, modeling.
На сегодняшний день асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором является самым распространенным видом электродвигателей на рыбопромысловом флоте. На судоремонтных заводах камчатского края находятся сотни электродвигателей этого типа, требующих ремонта. Более 80 % электродвигателей находятся в стадии ремонта повторно. Это связано с плохим качеством первичного ремонта [1].
Основной проблемой является некачественная проверка электродвигателей, подвергавшихся ремонту. Чаще всего, электродвигатель проверяется в упрощенном режиме, т.е. в режиме холостого хода. Такая проверка не позволяет провести качественную диагностику электродвигателя, так как на холостом ходу невозможно оценить номинальные параметры машины. Получение таких данных может быть обеспечено только при проведении работы под нагрузкой.
Существуют промышленные стенды для испытания электрических машин с элементами компьютерной диагностики, но они обладают множеством недостатков, такими как высокая стоимость и сложность в эксплуатации. На сегодняшний день такие устройства не нашли применение на судоремонтных предприятиях Дальнего Востока. Выходом из сложившейся ситуации может быть стенд для испытания электрических машин под нагрузкой. Сложность таких систем в первую очередь связана с необходимостью использования механической
нагрузки. Этот процесс слишком трудоёмкий, он связан с необходимостью механического соединения нескольких электрических машин. Выходом может оказаться динамическое нагружение. Основным преимуществом такого типа нагружения является отсутствие механической нагрузки, электрические машины соединены только электрическими проводами. Самыми частыми неисправностями таких машин являются неисправности статорных обмоток.
В данной статье приводятся результаты испытаний по переводу модели асинхронного электродвигателя в режим генератора. Для получения достоверных результатов исследования было поставлено несколько задач. Во-первых, необходимо построить математическую модель электродвигателя с учетом возможности дальнейшего моделирования. Во-вторых, необходимо на основании полученной математической модели построить компьютерную модель электродвигателя средствами Simulink [2]. В-третьих, необходимо осуществить перевод модели электродвигателя в режим генератора.
При моделировании асинхронных двигателей чаще всего используют уравнения Парка-Горева, но данные уравнения являются обобщенными и не учитывают ряд важных процессов, таких как потери в стали и вытеснение тока в стержнях ротора. В последствии при проверке модели на соответствие реальной системе полученные параметры существенно отличаются от параме-
- 7
и системы. № 3, т. 16, 2020
тров электродвигателя, прописанных в Как общепринято, уравнения АД с корот-
паспортных данных машины [3]. козамкнутым ротором представляем через
В рамках первого этапа исследования в обобщенные векторы — в системе коорди-
среде Simulink/Matlab была разработана мате- нат, вращающейся с произвольной угловой
матическая модель асинхронного двигателя. скоростью юк: Оцениваем эффекты насыщения магнитной
системы основным магнитным потоком, вытеснение тока в стержнях ротора, значение потерь в стали. Далее уточняем параметры схемы замещения. Затем в математическую модель электродвигателя, уже имеющую все неизвестные ранее номинальные параметры, вводим нелинейные зависимости Lm(цf) и Я'2(ш2) и учитываем потери в стали.
- с№ —
ui=Ri-h+—rL + j-<0k-x¥1;
О = R'2-i2 +
dx cW2 dx
+ j-((ùk-(ù)-%; (i)
M=p-Lm -ft
dx
К =in,m+(L2'Vlx ~Lm -L2 -L2my, ily = (L2-4>ly-Lm ^2y!{Lx -L2 -Z2J;
It = (A ^ -Lm -VJih L2-Li)- i'2y = (A-4>2y-Lm -4>lyl{Lx -L2-Li),
=Ll-ll+LM ■ V2\ \ = (L2 -Lm • L2-Li)-
ft =Lm ■I,\ + L2 • V2 ; V2 =(A % ~Lm -^/(A L2-Li).
(2)
Системы (1) и (2) записаны в координатах дными потокосцеплений и соответствую-х-у-0, что позволяет оперировать произво- щими алгебраическими выражениями:
<Г¥Л
dx
lx _ .. _ , R\-Lm- , ,Л щ .
~Ulx тт т2 ^ т т т2 "|"Ш* Т1V»
А ■ А А
А ■ А Аи
-= -- + ■
dx A- A ~Li A- A- Li
**2x_ К •A ■%x + К ■Lm- %x
dx A ■A -L2 m A •A- -L1 m
W2y_ К •A ■W ■ + К ■Lm
dx
м = -
А ' A Аи Ll ■ L2 Ln P-L
f IT,
+ К-Ю) + (cot-CD)-4'2l;
■2 y>
T T -T2
M 2 ^n
lx A2y J
J^ = M-MC. dx
Из векторной диаграммы следует:
Л
У
J
lm=h + h-
(3)
— векторы потокосцеплении: (4) %=Lla-ïl+Lm-ïm;W2=L2a-ï; + Lm-Im. (6) Обозначаем: Для данноИ модели справедливы в коор-
— индуктивности рассеяния статорноИ и динатных осях x-y-О выражения значении роторноИ обмоток для потокосцеплениИ и токов:
LxO = Li - Lm. L20 = L2 - Lm; (5)
- ■ iXx + Lm • i2x ; - Ll ■ ily + Lm ■ i2y ; ^ix = Lm • i\x + A ' hx ' y = Lm • hy + L2 • i2y ; Y = ■sjx¥lx +
Y,
(7)
Влияние потерь в стали в представленной модели учтено увеличением активной составляющей ¡1х тока статора на предварительно принятое значение тока потерь в стали г„.ст.
При условии, что цк = и
1'2К = +, коэффициент мощности будет определяться выражением
™*<Р = \чАк, (8)
действующие значения токов фаз статора и ротора
1Х=1ШЫ3 и Г2=Г2К1^Ъ, (9)
КПД
г, =--. (10)
М-со + АРст+(&.Я1+1'22к-Я'2)
Первоначально оцененные мощность потерь в стали АРст ~ (Р2м/пм-Р2м) ' 0,25 и значение тока г„,ст= АРст/( Ди1н), которое ей соответствует, необходимо определять в номинальном режиме. Это объясняется необходимостью получения номинальной мощности Р2н и КПД пн двигателя.
Для подтверждения правильности математической модели в программе Simulink была разработана компьютерная модель асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, представленная на рисунке 1.
Рисунок 1. Модель асинхронного двигателя, разработанная в БтиЫ
Для корректной работы данной модели замещения. В данном случае для электродви-проводилось определение параметров схемы гателя 4А80А4 (таблица 1). Таблица 1. Параметры схемы замещения
Параметр СЗ Паспортные данные параметров схем замещения, Ом Идентифицированные данные параметров схем замещения, Ом
4А80А4 4А80А4
Rl 9,21 8,1
5,20 5,8
Х1 6,0 6,5
Х2 8,73 8,3
Хт 135 154
Как было сказано ранее, корректность работы компьютерной модели можно проверить в номинальном режиме.
На рисунке 2 представлена модель всей системы, учитывающая нагрузку, трение механических частей, а также с различными измерительными блоками для определения параметров модели.
На рисунке 3 представлены результаты моделирования электродвигателя. Более подробный анализ показывает, что отклонения значения момента, номинальной скорости вращения, номинального тока, номинальной скорости, КПД модели электродвигателя не отличаются от номинальных значений электродвигателя более чем на 9 %.
in Iffl 1 4 W 4 1
V Ul P»1 4 II «ИЦЧ № kPO -HZHUl H: «нем -_1 kl
в -n Г+ L,_ 1- П 1 P 1 1 „1 DmIJT! nI -Ha .MfaJ J r D -arn 4
Рисунок 2. Модель динамической нагрузки асинхронного двигателя
Рисунок 3. Результаты проверки модели
Основным требованием, предъявляемым к модели в рамках исследования, является корректное изменение значений координат электродвигателя при изменении частоты и напряжения [4].
Введение возмущения в работу электродвигателя приводит к возникновению переходных процессов, в результате которых изменяются параметры машины. В связи с этим получение нагрузочного режима для двигателя возможно получить различными способами, такими как противовключение или торможение. Так как способ изменения частоты питающего напряжения является самым перспективным в рамках данного исследования, поэтому были поставлены компьютерные эксперименты по введению электродвигателя в режим генератора с последующим торможением. При исследовании генераторного режима с рекуперативным торможением ключевым является эквивалентная механическая мощность, которая возникает на валу двига-
теля. Мощность пропорциональна угловой скорости и моменту двигателя [5].
Механическая характеристика электродвигателя в режиме рекуперативного торможения при изменении частоты напряжения изображена на рисунке 4.
Электродвигатель начинает работу на холостом ходу согласно механической характеристике. В точке 2 происходит изменение
W 1 2
1*4 JftW
X f\ M
$ 0M1 / :
Рисунок 4. Механическая характеристика электродвигателя
частоты питающего напряжения, и рабочая точка смещается в точку 3 механической характеристики, соответствующей работе двигателя с изменением частоты напряжения. На валу двигателя происходит скачок момента АМ1. Далее начинается процесс рекуперативного торможения с отдачей электрической энергии в сеть и нагружением асинхронного двигателя, который заканчивается в точке 3. Необходимым условием для
осуществления искусственного нагружения является долговременное нахождение его под нагрузкой [6], что не соответствует кратковременному режиму торможения на участке 1-2 .
Возможным решением является циклическое изменение режимов работы от двигательного к генераторному. Таким образом, происходит перевод электродвигателя на механическую характеристику, которая соот-
Рисунок 5. Механическая характеристика в процессе моделирования
б)
а) момент асинхронного двигателя; б) значение тока асинхронного двигателя Рисунок 6. Результаты моделирования при переводе электродвигателя в режим нагружения
ветствует двигательному режиму. Переходу из точки 3 в точку 1 соответствует скачок момента ДМ2. Далее происходит разгон электродвигателя до точки 2. Как было указано ранее, для оценки отдаваемой в сеть энергии в данном режиме цикл повторяется несколько раз.
Переходу электродвигателя в режим генератора соответствует полученная в процессе моделирования механическая характеристика, представленная на рисунке 5. Видно, что механическая характеристика имеет классический вид.
На рисунке 6, а представлена диаграмма изменения момента двигателя. Также на рисунке указано максимальное значение момента Ммакс. Значения ДМ] и ДМ2 соответствуют таковым на рисунке 4.
Основным критерием получения нагрузочного режима является ток электродвигателя.
На рисунке 7 показано изменение тока при многократном переводе электродвигателя в режим рекуперативного торможения.
Полученные результаты свидетельствуют о протекании нагрузочного режима при гене-
З.Ч'
I
1.2
I
1
I
О,S
I
0.6
I
A4
I
0.2
а) значение номинального тока; б) токи при циклическом переключении Рисунок 7. Результаты эксперимента по искусственному нагружению
раторном торможении асинхронного электродвигателя. Среднее значение эквивалентного тока соответствует номинальному току, что является основным требованием к испытанию асинхронных электродвигателей. Полученные результаты в последствии могут быть использованы при проектировании установки для испытания асинхронных двигателей без применения механической нагрузки, но обладающей высокой степенью информативности в области диагностирования технического состояния электрических машин.
С точки зрения схемной реализации данная система может быть построена на основе частотного электропривода. Сегодня преобразователи частоты с непосредственной коммутацией могут работать в инверторном режиме и осуществлять беспрепятственную рекуперацию электрической энергии.
Вывод
В рамках данного исследования проводились испытания электродвигателя серии 4А80А4. Были получены оптимальные результаты при уменьшении частоты питаю-
щего напряжения в два раза. Нужно учесть, что для испытания асинхронных электродвигателей другой мощности для получения эквивалентного тока, соизмеримого с номинальным током, может потребоваться применение других значений частоты и напряже-
Список литературы
1. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Исследование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя // Фундаментальные исследования. 2013. № 1-2. С. 408-412.
2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: учеб. пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. C. 233-239.
3. Вольдек А.И. Электрические машины: учеб. для высш. техн. заведений. 3-е изд. Л.: Энергия, 1978. С. 510-514.
4. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Моделирование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6. С. 125-125.
5. Марченко А.А. Определение диапазона номинальной мощности электродвигателей при испытаниях методом динамического нагружения // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2012. № 2, т. 10. С. 38-44.
6. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Энергоэффективное нагружение асинхронных электродвигателей в процессе послеремонтных испытаний // Вестник Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. 2014. Вып. 6. С. 76-84.
References
1. Marchenko A.A., Portnyagin N.N. Issledovanie protsessa dinamicheskogo nagru-zheniya asinkhronnogo elektrodvigatelya [Research of Dinamic Loading of the Asynchronous Electric Motor]. Fundamental'nye issledovaniya—Fundamental Research, 2013, No. 1-2, pp. 408-412. [in Russian].
ния. Также нагрузочным режимом является не только рекуперативное торможение, но и торможение противовключением или применение электромагнитного тормоза. Данные варианты также требуют тщательной проработки.
2. German-Galkin S.G. Komp'yuternoe modelirovanie poluprovodnikovykh sistem v MATLAB 6.0: ucheb. posobie [Computer Modeling of Semiconductor Systems in MATLAB 6.0: Textbook]. Saint-Petersburg, KORONA print Publ., 2001, pp. 233-239. [in Russian].
3. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny: ucheb. dlya vyssh. tekhn. zavedenii [Electrical Machines: Textbook for Universities]. 3rd ed. Leningrad, Energiya Publ., 1978, pp. 510-514. [in Russian].
4. Marchenko A.A., Portnyagin N.N. Modelirovanie protsessa dinamicheskogo nagru-zheniya asinkhronnogo elektrodvigatelya [Modeling of Dinamic Loading of the Asynchronous Electric Motor]. Elektronnyi nauchnyi zhurnal «Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya» — Digital Scientific Journal «Modern Problems of Science and Education», 2012, No. 6, pp. 125-125. [in Russian].
5. Marchenko A.A. Opredelenie diapazona nominal'noi moshchnosti elektrodvigatelei pri ispytaniyakh metodom dinamicheskogo nagru-zheniya [Determination of Range of Rated Power of Electric Motors at Tests by the Method of Dynamic Loading]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy -Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2012, No. 2, Vol. 10, pp. 38-44. [in Russian].
6. Marchenko A.A., Portnyagin N.N. Energoeffektivnoe nagruzhenie asinkhronnykh elektrodvigatelei v protsesse posleremontnykh ispytanii [Power Effective Loading of Asynchronous Electric Motors in the Course of Postrepair Tests]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota im. admirala S. O. Makarova — Bulletin of the State University of Marine and River Fleet named after Admiral S.O. Makarov, 2014, Issue 6, pp. 76-84. [in Russian].
