CC BY
10
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.313.333; 621.372.632
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СХЕМ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Д.И. Попов
Статья посвящена исследованию влияния внешних воздействий на функционирование электротехнического комплекса, предназначенного для проведения нагрузочных испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки. В качестве внешнего воздействия рассматривается изменение действующего значения напряжения сети. Представлены результаты математического моделирования процесса испытаний асинхронных двигателей различной мощности при отклонениях напряжения сети, которое выявило требуемые диапазоны регулирования параметров для обеспечения неизменной нагрузки. Показана зависимость коэффициента искажения синусоидальности тока, потребляемого из сети, от напряжения на входе преобразователя частоты.
Ключевые слова: схема испытаний, метод взаимной нагрузки, асинхронная машина, изменение напряжения, математическое моделирование, коэффициент искажения синусоидальности.
На различных этапах жизненного цикла асинхронные двигатели подвергаются нагрузочным испытаниям [1-3]. С целью экономии электроэнергии при испытаниях и для обеспечения условий питания, соответствующих эксплуатационным, для асинхронных машин разработан ряд схем взаимной нагрузки [4-9]. Данные схемы испытаний позволяют обеспечить нагрузку на валу асинхронного двигателя как с помощью нагрузочной асинхронной машины (НАМ), так и с помощью нагрузочного генератора постоянного тока (НГПТ).
Перед внедрением новых разработок всегда требуется проведение исследований направленных на изучение надежности и качества их работы в различных условиях, в том числе при возникновении внешних воздействий. Наиболее важным источником внешних воздействий на электрическую часть схемы испытаний является трехфазная электрическая сеть.
Отклонение частоты тока в сети от 50 Гц в пределах норм, установленных для производственных установок [10], не приведет к значимому изменению формы напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты (ПЧ), и, следовательно, не окажет существенного влияния на его выходное напряжение и режим работы электрических машин.
Существенное влияние на форму напряжения на выходе ПЧ оказывает изменение действующего значения входного напряжения. Согласно действующему стандарту [10] изменение напряжения в сети не должно превышать ±10% от номинального значения. Рассмотрим работу схем взаимной нагрузки с различными типами нагрузочных машин при изменении напряжения сети в диапазоне от 198 В до 242 В.
В случае, если на выходе ПЧ поддерживается действующее значение напряжения и1 = 220 В при его частоте 50 Гц, при значениях напряжения сети ис = 209 В, 220 В и 242 В его форма принимает вид, приведенный на рис. 1, б, в, г (синей линией показана основная гармоника напряжения). При снижении напряжения сети ниже 209 В, становится невозможным поддержание на выходе ПЧ действующего значения напряжения равным 220 В. В связи с этим на данном диапазоне напряжений сети (198 В < ис < 209 В) примем для изучения функционирования схем взаимной нагрузки максимально возможные напряжения на выходе ПЧ, которые соответствуют ступенчатой форме напряжения, приведенной на рис. 1, а.
Значения напряжения на выходе ПЧ, соответствующие всему рассматриваемому диапазону изменения напряжения сети, приведены на рис. 2. Проанализируем работу схем взаимной нагрузки при данных значениях напряжения (см. рис. 2).
в г
Рис. 1. Расчетные осциллограммы напряжения на выходе преобразователя частоты и их первая гармоника: а - и = 198 В; б - и = 209 В; в - и = 220 В; г - и = 242 В
ис,В
198 209 220 231 242
Рис. 2. Действующие значения напряжения на выходе преобразователя частоты при различных
значениях напряжения сети
рис. 3.
Рассмотрим схему взаимной нагрузки с нагрузочной асинхронной машиной, приведенную на
Неуправляемый выпрямитель 1
Неуправляемый
Рис. 3. Схема взаимной нагрузки с нагрузочной асинхронной машиной
Работа машин в данной схеме описывается математической моделью, приведенной в работе [11, 12]. Проведенный численный эксперимент с машинами мощностью 0,75 кВт, 5,5 кВт и 250 кВт показал, что для поддержания на валу номинальной нагрузки, необходимо иметь разность частот напряжений (А/), подаваемых на обмотки статора испытуемого двигателя и НАМ, в соответствии с кривыми, приведенными на рис. 4. Как показывает анализ результатов расчета: при неизменном значении напряжения на выходе ПЧ (и1 = 220 В, ис = 209 ^ 242 В) необходимо иметь неизменное значение А/, при снижении напряжения в сети ниже 209 В и как следствие снижении напряжения на выходе ПЧ необходимо увеличивать А/. При снижении напряжения на выходе ПЧ до 210 В (при ис = 198 В) для поддержания номинальной нагрузки необходимо увеличить А/ на 12 ^ 17,5 %.
Рис. 4. Необходимая для обеспечения номинальной нагрузки разность частот тока испытуемого двигателя и НАМ при различных значениях напряжения сети для машин с номинальной мощностью: а - 0,75 кВт, б - 5,5 кВт; в - 250 кВт
Рассмотрим схему взаимной нагрузки с нагрузочным генератором постоянного тока, приведенную на рис. 5.
Рис. 5. Схема взаимной нагрузки с нагрузочным генератором постоянного тока
Работа машин в данной схеме описывается математической моделью, приведенной в работе [11, 12]. Численный эксперимент для данной схемы проведен с испытуемыми асинхронными двигателями тех же мощностей (0,75 кВт, 5,5 кВт и 250 кВт) и соответствующими по мощности НГПТ (2,4 кВт, 5,5 кВт и 250 кВт) с номинальным напряжением 440 В и частотой вращения 1500 и 1600 об/мин. Анализ результатов расчетов показал, что для поддержания на валу номинальной нагрузки, необходимо увеличивать магнитный поток НГПТ (Ф) с ростом напряжения сети во всем диапазоне его изменения (198 В < ис < 242 В) в соответствии с рис. 6. Примерный диапазон регулирования магнитного потока НГПТ при изменении напряжения сети в рассматриваемом диапазоне составляет ±10% от величины потока при и с = 220 В.
1,45 1,40 1,35 1,30 1,25 1,20 1Д5 1,10 1,05 1,00 0,95
198 209 220 231 242
Рис. 6. Необходимая для обеспечения номинальной нагрузки величина магнитного потока НГПТ
при различных значениях напряжения сети
Отложенный по оси ординат магнитный поток НГПТ (Ф*) в относительных единицах (см. рис. 6), определяется как отношение потока (Ф) к номинальному потоку НГПТ (Фн).
Одним из важных параметров качества функционирования электроустановки является коэффициент искажения синусоидальности тока, потребляемого ей из сети [10]. Результаты расчета коэффициента искажения синусоидальности тока, потребляемого схемой испытания из сети, для схем с НАМ и НГПТ с испытуемыми асинхронными двигателями различных номинальных мощностей (0,75 кВт, 5,5 кВт и 250 кВт) приведены на рис. 7.
Рис. 7. Коэффициент искажения синусоидальности тока сети при различных значениях напряжения питания: а - схемы с НАМ; б - схемы с НГПТ
Как показывает анализ результатов моделирования: минимальные значения коэффициента искажения синусоидальности потребляемого тока соответствуют напряжению сети ис = 220 ^ 225 В; зависимость коэффициента искажения синусоидальности тока от напряжения сети Кг И = /ис) имеет V-образный вид; для машин малой и средней мощности левая часть полученных и-образных кривых имеет меньшее нарастание или даже спад при снижении напряжения сети (ис) за счет снижения напряжения на выходе ПЧ (и1).
В результате проведенного исследования воздействия изменения напряжения на функционирование схем взаимной нагрузки для испытания асинхронных двигателей выявлено:
при снижении напряжения в сети ниже 209 В, действующее значение напряжения на выходе преобразователя частоты неизбежно опускается ниже 220 В;
в схеме с НАМ при неизменном значении напряжения на выходе преобразователя частоты необходимо иметь неизменное значение разности частот напряжений (А/), питающих испытуемый двигатель и нагрузочную машину; при снижении напряжения на выходе преобразователя частоты необходимо увеличивать А/; снижение напряжения на выходе ПЧ до значения V = 210 В (при ис = 198 В) приводит к необходимости увеличения А/ на 12 ^ 17,5 %;
в схеме с НГПТ для поддержания на валу номинальной нагрузки, необходимо при увеличении напряжения сети (ис) усиливать магнитный поток НГПТ, при уменьшении ис - ослаблять; примерный диапазон регулирования потока для двигателей различных мощностей составляет порядка ±10% от потока необходимого при ис = 220 В;
отклонение напряжения сети (ис) от 220 В на ±10% приводит к росту коэффициента искажения синусоидальности потребляемого тока (К И); при определенных параметрах элементов схем испытания отклонение ис на 10% может приводить к двукратному возрастанию КгИ.
Список литературы
1. Харламов В.В., Попов Д.И., Литвинов А.В. Совершенствование технологии испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов: Научная монография. Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2016. 160 с.
2. ГОСТ 2582-2013. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия. Введ. 01.01.2015. М.: Стандартинформ, 2014. 56 с.
3. ГОСТ 11828-86. Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний. Введ. 01.07.1987. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. 31 с.
4. Бейерлейн Е.В., Рапопорт О.Л., Цукублин А.Б. Схема испытания тяговых частотно-регулируемых асинхронных электродвигателей // Известия вузов. Электромеханика. 2006. №3. С. 46 - 48.
5. Патент 99186 РФ. Стенд для испытаний асинхронного тягового электродвигателя / Л. Г. Козлов, С. С. Осипов, В. П. Феоктистов, В. А. Коновалов. Опубл. 10.11.2010. Бюл. № 31.
6. Патент 140678 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / Д.И. Попов, В.Д. Авилов, А.В. Литвинов. Опубл. 20.05.2014. Бюл. № 14.
7. Патент 178716 РФ. Стенд для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки / В.В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 17.04.2018. Бюл. № 11.
8. Патент 163996 РФ. Схема испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки / В.В. Харламов, Д.И. Попов, С.О. Руменко, А.И. Стретенцев. Опубл. 20.08.2016. Бюл. № 23.
9. Патент 192278 РФ. Стенд для испытания асинхронного двигателя / В.В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 11.09.2019. Бюл. № 26.
10. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.07.2014. М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.
11. Попов Д.И. Математическое моделирование физических процессов в испытательных комплексах электрических машин // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 79 - 84.
12. Попов Д.И. Научные основы создания энергоэффективных методов и средств испытаний электрических машин. Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения. 2019. 175 с.
Попов Денис Игоревич, канд. техн. наук, доцент, popovomsk@yandex. ru, Россия, Омск, Омский государственный университет путей сообщения
INVESTIGATION OF THE INFL UENCE OF VOLTAGE VARIATION ON THE OPERATION OF THE SCHEMES OF MUTUAL LOADING OF INDUCTION MOTORS
D. I. Popov
The article is devoted to the study of the influence of external factors on the functioning of the electrical complex for load testing of induction motors by the method of mutual load. The results of mathematical modeling of the process of testing induction motors at network's voltage deviations, which revealed the required ranges ofparameters control to ensure a constant load, are presented. The dependence of the sinusoidal distortion coefficient of the current consumed from the network on the voltage at the input of the frequency converter is shown.
Key words: test circuit, mutual load method, induction machine, voltage changing, mathematical modeling, the coefficient of harmonic distortion.
Popov Denis Igorevich, candidate of technical sciences, docent, popovomsk@yandex. ru, Russia, Omsk, Omsk State Transport University
УДК 621.311.001.57
ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА РАБОТУ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
Д.С. Мирхаликова, Н.С. Азимов
В статье рассмотрены основные факторы влияющие на работу электрооборудования насосных станций, проведен анализ параметров качество электроэнергии влияющие на работу насосных станций, приведены основные особенности синхронных двигателей насосных агрегатов насосных станций.
Ключвые слова: синхронный двигатель, электроэнергетика, качества электроэнергии, показатели качества
Надежное функционирование и эксплуатация любых объектов электроэнергетической системы невозможно без соблюдения требований к качеству электрической энергии. Надежность систем электроснабжения, в свою очередь, взаимосвязана с показателями качества электроэнергии. Изучение проблем влияния качества электроэнергии на срок службы отдельных электроприёмников, в частности насосных агрегатов, является весьма актуальной в условиях развития электроэнергетики страны [1, 6, 7].
На территории Б. Гафуровского района Согдийской области Республики Таджикистан расположены 18 насосных станций оросительной системы средней и большой мощности. Структура потребителей электрической энергии Б. Гафуровского района за 2018 год приведена на рис. 1.
