CC BY
52
СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.314.26:[621.313.13:629.5]
Н. Г. Романенко, С. В. Головко, М. П. Жуманазаров
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ СУДОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Представлена обработка данных, полученных в результате измерения напряжения на выходе преобразователя частоты, используемого в качестве источника питания нагрузки. Измерения выходного напряжения преобразователя частоты проводились при изменяющейся нагрузке, представляющей собой различное сочетание электрических двигателей и ламп накаливания. Смоделированы режимы работы при симметричной и несимметричной нагрузках. Собранные данные были проверены на соответствие требованиям ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» в части требования к синусоидальности питающего напряжения и его гармоническим составляющим. Данные для обработки были получены на экспериментальной установке, собранной на кафедре «Электрооборудование и автоматика судов» Астраханского государственного технического университета.
Ключевые слова: преобразователь частоты, источник питания, скалярное управление, гармонические составляющие напряжения.
Введение
Вопрос использования частотных преобразователей изучен достаточно широко. Доступна разнообразная литература на указанную тему; ведущие производители преобразователей частоты (ПЧ) выпускают брошюры, рекомендации, обзоры, технические коллекции [1, 2].
Основное назначение ПЧ в указанных источниках - обеспечение плавного пуска, управление моментом и скоростью вращения одиночного электродвигателя. Основные функции ПЧ состоят:
- в регулируемом ускорении электродвигателя;
- управлении скоростью электродвигателя;
- регулировании скорости электродвигателя;
- управляемом замедлении электродвигателя;
- изменении направления вращения электродвигателя;
- динамическом торможении электродвигателя;
- встроенной защите [1].
В процессе обеспечения указанных функций ПЧ изменяет напряжение и частоту в цепи питания нагрузки в широких пределах.
Вместе с тем вопрос рассмотрения ПЧ в качестве источника питания для цепей нестандартного синусоидального напряжения и частоты освещен недостаточно широко, хотя в некоторых случаях возникает потребность в таком решении.
Например, в 2011 г. на кафедру «Электрооборудование и автоматика судов» Астраханского государственного технического университета обратилось руководство судостроительного завода «Красные Баррикады» с предложением о разработке вариантов источника питания на период проведения испытаний электрооборудования, установленного на буровой платформе с не готовой к работе штатной электростанцией. Параметры электрооборудования буровой платформы: суммарная мощность 1,3 ГВт, напряжение 480 В, частота 60 Гц.
Для решения задачи был проведен ряд экспериментов с использованием ПЧ в качестве источника питания, обеспечивающего синусоидальное напряжение нестандартного значения и частоты. Также была собрана экспериментальная установка (рис. 1). Принципиальная схема установки представлена на рис. 2.
Рис. 1. Экспериментальная установка по исследованию преобразователя частоты в режиме источника питания: 1 - осциллограф марки FLUKE 190-104; 2 - преобразователь частоты Altivar71H037M3;
3 - асинхронный двигатель
Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки: UZ - преобразователь частоты Altivar 71; PG - осциллограф марки FLUKE 190-104; М1, М2 - асинхронный электродвигатель АИР63В4У3, 0,37кВт; EL1-EL3 - лампа накаливания, 95Вт; QF1-QF8 - автоматический выключатель
В результате ранее проведенных исследований было выявлено, что использование ПЧ в качестве источника питания синусоидального напряжения возможно только в режиме скалярного управления, т. к. только в этом режиме обеспечивается стабилизация выходного напряжения при изменении нагрузки [3]. При скалярном режиме управления были проведены
измерения напряжения для различных видов и способов соединения нагрузок. Значения Шаг и ^аг (рис. 2) при измерениях оставляют 230 В и 50 Гц соответственно. Схемы соединений были условно пронумерованы в соответствии с табл. 1:
1
Схемы соединения нагрузок
Схема Способы соединения нагрузок
1 Один асинхронный электродвигатель АИР63В4У3 в режиме холостого хода
2 Два асинхронных двигателя АИР63В4У3 в режиме холостого хода
3 Два асинхронных двигателя АИР63В4У3 в режиме холостого хода с обрывом фазы одного из них (для имитации неравномерной индуктивной нагрузки)
4 Один асинхронный электродвигатель АИР63В4У3 в режиме холостого хода и три лампы накаливания (для имитации смешанной нагрузки)
5 Два асинхронных электродвигателя АИР63В4У3 в режиме холостого хода и три лампы накаливания
6 Один асинхронный электродвигатель АИР63В4У3 и две лампы накаливания (для имитации неравномерной смешанной нагрузки)
Далее номера схем используются для сравнения результатов измерений с нормативными требованиями.
Обработка данных
Для каждой схемы с помощью осциллографа FLUKE 190-104 были собраны данные в формате CSV, которые затем были обработаны в программе FlukeVievScopeMeter. В результате для каждой схемы были получены осциллограмма напряжения и спектры гармонических составляющих напряжения. На рис. 3 и 4 показан пример осциллограммы и гармоник напряжения для случая питания 2-х асинхронных двигателей (табл. 1, схема 2). Перемещая вертикальные линии с цифрами 1 и 2 вверху и выбирая требуемый масштаб по оси времени, можно получить необходимые данные в любой момент времени и для любой частоты.
Рис. 3. Осциллограмма напряжения питания
Рис. 4. Спектры напряжения питания
Результаты измерений напряжения на выходе ПЧ были исследованы на соответствие ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» в части требования к синусоидальности питающего напряжения и его гармоническим составляющим.
Согласно ГОСТ 32144-2013, показателями качества электроэнергии, относящимися к гармоническим составляющим напряжения, являются:
- значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка Кцв процентах напряжения основной гармонической составляющей и1 в точке передачи
электрической энергии;
- значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения (отношения среднеквадратического значения суммы всех гармонических составляющих до 40-го порядка к среднеквадратическому значению основной составляющей) Кц, % в точке
передачи электрической энергии.
В табл. 2-5 представлено сравнение требований ГОСТ 32144-2013 к гармоническим составляющим напряжения и данных, полученных в результате измерения.
Таблица 2
Значения коэффициентов нечетных гармонических составляющих напряжения не кратных трем
Порядок гармоническом составляющей п Значение коэффициента гармонических составляющих напряжения Кц, % Ц1, для напряжения 0,38 кВ
Требования ГОСТ Данные, полученные в результате измерения для схемы №
1 2 3 4 5 6
5 6 21,9 20,7 21,6 24,3 20,2 17,5
7 5 2,9 4,3 4,3 4,0 2,4 5,1
11 3,5 3,4 4,6 2,4 7,0 3,2 3,2
13 3,0 5,6 7 7,1 3,1 5,0 8,8
17 2,0 5,4 5,6 3,7 1,4 3,3 7,2
19 1,5 2,1 2,7 4,7 5,3 2,7 2,2
23 1,5 1,6 1,8 2,9 0,9 1,1 4,1
25 1,5 1,4 2,0 2,0 2,2 0,3 2,0
> 25 1,5 1,5 2,9 2,5 2,0 2,1 2,8
Таблица 3
Значения коэффициентов нечетных гармонических составляющих напряжения кратных трем
Порядок гармонической составляющей п Значение коэффициента гармонических составляющих напряжения Кц^, % Ц1, для напряжения 0,38 кВ
Требования ГОСТ Данные, полученные в результате измерения для схемы №
1 2 3 4 5 6
3 5 9,9 9,3 10,4 5,7 9,7 7,8
9 1,5 10,4 11,6 9,6 7,8 10,6 10,2
15 0,3 2,5 1,6 1,0 1,1 2,9 3,0
21 0,2 2,7 3,8 2,2 2,0 2,9 5,4
> 21 0,2 2,4 5,1 2,2 2,3 1,9 2,5
Таблица 4
Значения коэффициентов напряжения четных гармонических составляющих
Порядок гармонической составляющей п Значение коэффициента гармонических составляющих напряжения Кц^, % Ц1, для напряжения 0,38 кВ
Требования ГОСТ Данные, полученные в результате измерения для схемы №
1 2 3 4 5 6
2 2 2,6 0,6 1,3 1,3 0,5 0,9
4 1 2,0 1,4 1,3 3,3 2,1 1,1
6 0,5 2,4 2,3 1,0 3,0 2,8 1,2
8 0,5 3,1 3,1 1,9 1,6 2,6 3,2
10 0,5 0,9 4,2 1,4 3,3 1,6 2,5
12 0,2 2,3 3,6 1,8 2,1 3,4 4,2
> 12 0,2 2,6 4,1 1,9 6,6 4,3 5,1
Таблица 5
Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения
Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения KU,%, для напряжения 0,38 кВ
Требования ГОСТ Данные, полученные в результате измерения для схемы №
1 2 3 4 5 6
8,0 89,6 103,3 87,2 90,3 85,6 100
Как видно из табл. 2-5, подавляющее большинство результатов измерений не соответствуют нормативным требованиям к гармоническим составляющим напряжения.
Заключение
На основании исследования можно сделать следующий вывод: несмотря на то, что использование ПЧ в качестве источника питания нагрузки удовлетворяет требованиям ГОСТ по условию падения напряжения [3], оно не удовлетворяет требованиям к значениям гармонических составляющих напряжения. Решение этой проблемы требует снижения гармоник напряжения на выходе ПЧ. Компанией Schneider Electric для преобразователей частоты серии Altivar71 предлагаются различные варианты решения этой задачи, например, использование дросселей постоянного тока, пассивных фильтров, выходных дросселей. Однако большинство из них предназначены для ПЧ мощностью 0,75 кВт и более. Для преобразователя частоты Altivar71(ATV71H037M3) мощностью 0,37 кВт из указанных вариантов имеется только дроссель постоянного тока (каталожный номер VW3 A4 501).
Дальнейшее изучение возможности применения ПЧ в качестве источников питания лежит в области моделирования. Это позволит более полно исследовать характеристики ПЧ в требуемой области применения, т. е. в качестве источника питания синусоидального напряжения нестандартных параметров.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Техническая коллекция Schneider Electric. Вып. 38: Устройства плавного пуска и преобразователи частоты. 2011. 30 с.
2. Шаповалов М. Применение частотных преобразователей Omron // Компоненты и технологии. 2004. № 39. С. 126-127.
3. Романенко Н. Г., Головко С. В., Сатенов К. Н., Жуманазаров М. П. Применение преобразователя частоты в качестве источника питания судового электрооборудования // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2016. № 1. С. 77-84.
Статья поступила в редакцию 18.01.2017
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Романенко Николай Геннадьевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент; зав. кафедрой электрооборудования и автоматики судов; nikolayrom@yandex.ru.
Головко Сергей Владимирович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры электрооборудования и автоматики судов; g_s_v_2007@mail.ru.
Жуманазаров Максим Пулатович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры электрооборудования и автоматики судов; maxim.zhumanazarov@mail.ru.
N. G. Romanenko, S. V. Golovko, M. P. Zhumanazarov
RESEARCH OF PROPERTIES OF THE FREQUENCY CONVERTER AS THE POWER SUPPLY OF THE SHIP ELECTRIC EQUIPMENT
Abstract. Data processing, received as a result of voltage measurement at the output of the frequency converter which is used as the electric power supply, was presented. Measurements of output voltage of the frequency converter were taken in case of the variable loading representing various combination of electric motors and glow lamps. Operating modes in case of symmetric and asymmetrical loadings were simulated. The collected data were checked for compliance to requirements of GOST 32144-2013 "Power quality limits in the public power supply systems" regarding the requirement to a sinusoid of the feeding voltage and its harmonious components. Data for handling were obtained on the experimental installation collected at the department "Electric equipment and automation of ships" of the Astrakhan State Technical university.
Key words: frequency converter, power supply, the scalar control, harmonic voltage components.
REFERENCES
1. Tekhnicheskaia kollektsiia Schneider Electric. Vypusk 38: Ustroistva plavnogo puska i preobrazovateli chastoty [Soft starters and frequency converters]. 2011. 30 p.
2. Shapovalov M. Primenenie chastotnykh preobrazovatelei Omron [The application of frequency converters]. Komponenty i tekhnologii, 2004, no. 39, pp. 126-127.
3. Romanenko N. G., Golovko S. V., Satenov K. N., Zhumanazarov M. P. Primenenie preobrazovatelia chastoty v kachestve istochnika pitaniia sudovogo elektrooborudovaniia [The application of the frequency converter as a power supply of a ship's electrical equipment]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2016, no. 1, pp. 77-84.
The article submitted to the editors 18.01.2017
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Romanenko Nickolay Gennadievich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department of Electric Equipment and Automation of Ships; nikolayrom@yandex.ru.
Golovko Sergey Vladimirovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of Electric Equipment and Automation of Ships; g_s_v_2007@mail.ru.
Zhumanazarov Maxim Pulatovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department of Electric Equipment and Automation of Ships; maxim.zhumanazarov@mail.ru.
