CC BY
23
УДК 621.333:621.314.26:621.313.33:621.317
В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ В ДВУХЗВЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЧАСТОТЫ В СОСТАВЕ СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
МЕТОДОМ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ
Приведена методика определения потерь в основных элементах двухзвенных преобразователей частоты (выпрямителе и инверторе), которая позволяет дополнить математическую модель процесса испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки и использовать ее при проектировании испытательных станций, в том числе для расчета мощности станции, потребляемой из сети. Практической ценностью данной методики является отсутствие необходимости использования приборов для измерения мощности переменного тока с частотой, отличной от 50 Гц.
В настоящее время в связи с широким внедрением асинхронных двигателей на тягу (в том числе на подвижном составе железных дорог) актуальны вопросы исследования и внедрения новых энергоэффективных методов и средств диагностирования асинхронных двигателей. Существует множество методов и схем испытания электрических машин. Особый интерес представляют энергоэффективные методы и схемы, позволяющие добиться экономии электроэнергии при испытании. К таким решениям относят метод взаимной нагрузки.
Одна из схем, реализующих метод взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей, предложена сотрудниками кафедр «Электрические машины и общая электротехника» и «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения [1].
В составе схемы предусмотрено использование двух однотипных преобразователей частоты, осуществляющих двойное преобразование энергии: напряжение промышленной частоты, подведенное из сети, выпрямляется, а затем инвертируется в переменное напряжение заданной частоты, подаваемое на обмотки статора двух однотипных асинхронных электродвигателей (рисунок 1). Режим взаимной нагрузки осуществляется за счет установки разных частот переменного напряжения на выходе частотных преобразователей. Машина, на которую подается напряжение большей частоты, работает в двигательном режиме, а другая - в генераторном. Вырабатываемая генератором электрическая энергия передается через обратные диоды инвертора в звено постоянного тока. Звенья постоянного тока, находящиеся между выпрямителями и инверторами частотных преобразователей, объединены в одну систему общей шиной постоянного тока. Таким образом, вырабатываемая генератором электрическая энергия передается двигателю по цепи постоянного тока, не возвращаясь в трехфазную сеть.
Особенностью преобразователей частоты, работающих в данной схеме взаимной нагрузки, является использование неуправляемых выпрямителей, что делает систему более простой и дешевой, а также менее энергоемкой, чем при использовании управляемых выпрямителей [2].
Энергия, потребляемая из сети всей установкой, необходима для компенсации потерь во всех частях схемы: асинхронных двигателях, частотных преобразователях и др. [3, 4].
Для приведенной схемы была разработана математическая модель, которая позволяет оценить энергоемкость метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных двигателей. Математическая модель имеет вид системы из 13 дифференциальных уравнений:
первые шесть уравнений описывают электромагнитные процессы, происходящие в первой электрической машине;
другие шесть уравнений описывают электромагнитные процессы, происходящие во второй электрической машине;
одно уравнение системы определяет связь электромагнитных моментов обеих машин и частоты совместного вращения их механически соединенных роторов.
2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 1(17) 2014
= _
Система уравнений, описывающая электромагнитные процессы в одной электрической машине, приведена в работе [5]. Однако данная математическая модель не учитывает потери в основных элементах преобразователей частоты: выпрямителе и инверторе [3].
Для оценки потерь в двухзвенных преобразователях частоты при испытании асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки разработана физическая модель [6, 7].
~ и
А В С
Рисунок 1 - Структурная схема для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки
Структурная схема физической модели приведена на рисунке 2. В процессе работы физической модели фиксируются следующие параметры: подаваемые из сети напряжение, ток, мощность (активная, реактивная, полная), коэффициент мощности по фазам, их средние значения по каждой фазе и суммарные показатели по трем фазам (измерения проводятся тремя цифровыми измерительными многофункциональными приборами ЩМ120);
ток и напряжение в общей шине постоянного тока для определения величины передаваемой по ней мощности в процессе взаимной нагрузки (измерения проводятся амперметром и вольтметром постоянного тока Щ120П);
ток, напряжение и мощность на выходе преобразователя частоты (измерения проводятся анализатором качества электрической энергии ЛВ.-5).
Все электроизмерительные приборы, используемые в физической модели, входят в Государственный реестр средств измерений.
Как правило, для определения потерь в узле электрической цепи необходимо измерить мощность, входящую в данный узел, мощность, выходящую из узла, и найти их разность. Однако на практике в схеме с инверторами может возникнуть сложность с измерением электрической мощности при токе с частотой, отличающейся от промышленной, так как большинство электроизмерительных приборов рассчитано на измерения именно на частоте, равной 50 Гц.
Оценку потерь в преобразователях частоты с учетом особенностей схемы, приведенной на рисунке 1, предлагается проводить с использованием методики, основная идея которой
№ 1(17) ОЛИ л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 3
2014 1
состоит в поэтапной перекоммутации схемы испытаний и проведении ряда измерений и расчетов, что наглядно можно увидеть на рисунках 3, 4 и 6 с пояснениями.
А В С
РЕЫ
Рисунок 2 - Структурная схема стенда для испытания асинхронных двигателей
Для определения потерь в режиме холостого хода собирается схема, представленная на рисунке 3.
Эксперимент проводится при замкнутых контакторах КМ1, КМ4 (см. рисунок 2), что обеспечивает подвод электрической энергии через выпрямитель первого частотного преобразователя, общую шину постоянного тока и инвертор второго частотного преобразователя к испытуемому двигателю АД2. Измерения проводятся со стороны сети, в общей шине постоянного тока и со стороны двигателя АД2:
Жс - активная мощность, потребляемая из трехфазной сети;
—ШПТ - мощность, передаваемая по общей шине постоянного тока;
Жд - активная мощность, подаваемая на испытуемый двигатель.
Потери в выпрямителе определяются разностью мощности, передаваемой по общей шине постоянного тока, и мощности, потребляемой из трехфазной сети:
^Рвыпр. х. х - -ШПТ. х. х - . х. х . (1)
4 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(17) 2014
1
Потери в инверторе определяются как разность мощности, потребляемой испытуемым двигателем, и мощности, передаваемой по общей шине постоянного тока:
АРинв. х. х - РшПТ. х. х - Жд . х. х . (2)
ЛРвь
ЛРш
Р
Рисунок 3 - Схема для определения потерь в режиме холостого хода
Определение потерь в выпрямителе и инверторе преобразователя частоты при проведении испытаний в режиме взаимной нагрузки для принятой схемы стенда (см. рисунок 2) проводится в три этапа.
На первом этапе собирается схема, приведенная на рисунке 4.
ж..
ЛРвы
ЛР„
~ и
Рисунок 4 - Схема для определения потерь в управляемом инверторе в режиме взаимной нагрузки И проводятся измерения в следующей последовательности:
подключается анализатор качества электрической энергии ЛЯ-5 к фазам двигателя АД2; подается питание из сети на выпрямитель первого преобразователя: осуществляется запуск обеих машин на холостом ходу при частоте питающего напряжения 50 Гц;
на двигателе АД2 устанавливается неизменной частота питающего напряжения 50 Гц и уменьшается частота питающего напряжения на первой машине АД1 ниже 50 Гц, тем самым АД1 нагружается в режиме генератора, а АД2 - в режиме двигателя;
проводятся измерения мощности, передаваемой через шину постоянного тока, и мощности, подаваемой на двигатель от управляемого инвертора;
определяется зависимость потерь в управляемом инверторе при работе АД2 в режиме двигателя как разность мощности, потребляемой испытуемой электрической машиной, и мощности, передаваемой по общей шине постоянного тока:
ЛРинв (Жд) - РШПТ (Жд) - Жд ; (3)
на двигателе АД2 устанавливается неизменной частота питающего напряжения 50 Гц и увеличивается частота питающего напряжения на первой машине АД1 вверх от 50 Гц, тем самым АД1 нагружается в режиме двигателя, а АД2 - в режиме генератора;
проводятся измерения мощности, передаваемой через шину постоянного тока, и мощности, вырабатываемой генератором, которая передается через обратные диоды управляемого инвертора в звено постоянного тока;
№ 1(17) ОЛИ л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5
2014 1
определяется зависимость потерь в управляемом инверторе при работе АД2 в режиме генератора как разность мощности, генерируемой испытуемой электрической машиной, и мощности, передаваемой по общей шине постоянного тока:
АРинв те = К - Ршпт те. (4)
Потери в управляемом инверторе, входящем в состав физической модели, определенные по данной методике, представлены на рисунке 5.
100
Вт
80 70 60 50 ■в 4С 30 20 10 0
АД2 - генерат ор
\ ч
АД2 - д вигатель
100
200
300
400
^д(г)
500
600
Вт
900
Рисунок 5 - Зависимости потерь в инверторе от мощности, потребляемой двигателем (вырабатываемой генератором)
На втором этапе методики определяются потери в неуправляемом выпрямителе.
Измерения на втором этапе проводятся по схеме, приведенной на рисунке 6, отличие которой состоит в том, что к сети подключены оба неуправляемых выпрямителя и электрическая энергия от сети в звенья постоянного тока передается по ним обоим одновременно. Измерения проводятся при тех же режимах работы асинхронных машин, что и на первом этапе.
АРвы
АРШ
А 0—
В о-
-И С о-
N о-
Неуправляемый выпрямитель № 1 Звено постоянного тока № 1 Управляемый инвертор № 1
ЩМ 120 № 2 Г
АРт
Неуправляемый выпрямитель № 2 Звено постоянного тока № 2 Управляемый инвертор № 2
Анализатор качества электроэнергии
ЩМ 120 № 2
АР-5
Рисунок 6 - Схема для определения потерь в преобразователе частоты в режиме взаимной нагрузки
6 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(17) 2014
- _ = _Ш
Проведенные измерения позволяют определить полные потери в частотных преобразователях в режиме взаимной нагрузки для второго частотного преобразователя:
при работе АД2 в режиме двигателя -
АРчп (Жд) - Жс2 (Жд) + Ршпт (Жд) - Жд; (5)
при работе АД2 в режиме генератора -
АРчп (Жг) - Жс2 (Жг) - Ршпт (Жг) + Жг. (6)
Составляющие Жс2, Жг, Жд, РШПТ получены по результатам измерений, а АРинв можно определить по рисунку 5 в зависимости от режима работы двигателя АД2.
На третьем, заключительном этапе определяются потери в неуправляемом выпрямителе второго частотного преобразователя как разность между общими потерями в частотном преобразователе, которые найдены по выражениям (5) и (6), и потерями в управляемом инверторе, которые определены по выражениям (3) и (4):
ЛРвыпр (Жд) - АРЧП2 (Жд) - АРинв (Жд);
АРК
(7)
выпр (Жг) - АРЧП2 (Жг) - АРинв (Жг). (8)
Разработанная методика позволяет определять потери в двухзвенных преобразователях частоты в составе стенда для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки при различных режимах работы.
Практическая ценность представленной методики заключается в том, что все измерения требуют применения измерительных приборов, рассчитанных на промышленную частоту сети переменного тока 50 Гц, что значительно упрощает измерения потерь мощности в узлах схемы.
Результаты применения данной методики дополняют математическую модель, описывающую работу асинхронных двигателей при испытании их методом взаимной нагрузки, что позволяет определять необходимую мощность питающей сети при проектировании соответствующего испытательного стенда.
Список литературы
1. Пат. 2433419 Российская Федерация, МПК О 01 Я 31/34. Способ испытаний асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки [Текст] / Авилов В. Д., Володин А. И., Данковцев В. Т., Лукьянченко В. В., Панькин Е. В.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2010124307/28; заявл. 15.06.2010; опубл. 10.11.2011, Бюл. № 31. - 5 с.: ил.
2. Пат. 80018 Российская Федерация, МПК О 01 Я 31/04. Устройство для испытания тяговых электродвигателей [Текст] / Бейерлейн Е. В., Рапопорт О. Л., Цукублин А.Б.; заявитель и патентообладатель Томский политехнич. ун-т. - № 2008115647/22; заявл. 21.04.2008; опубл. 20.01.2009, Бюл. № 2. - 6 с.: ил.
3. Авилов, В. Д. Математическая модель процесса испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов // Вестник СибАДИ / Сибирская автомобильно-дорожная акад. - Омск, 2013. - № 5 (33). - С. 75 - 81.
4. Авилов, В. Д. Оценка энергетической эффективности применения метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. 2013. - № 3 (1). - С. 2 - 7.
5. Фираго, Б. И. Регулируемые электроприводы переменного тока [Текст] / Б. И. Фираго, Л. Б. Павлячик. - Минск: Техноперспектива, 2006. - 363 с.
6. Физическая модель испытательной станции асинхронных тяговых двигателей с использованием метода взаимной нагрузки [Текст] / В. Д. Авилов, В. Т. Данковцев и др.// Ин-
№ 1(17) 2014
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
новационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - С. 69 - 73.
7. Модернизированный стенд для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки [Текст] / В. Д. Авилов, В. Т. Данковцев и др. // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: Материалы IX междунар. науч.-техн. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. - С. 137 - 141.
УДК 621.436
А. С. Анисимов, М. Ю. Золотовский
РАСЧЕТ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ РАБОЧЕГО ТЕЛА ПРИ СГОРАНИИ СМЕСЕВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ЦИЛИНДРЕ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
В статье представлена методика расчета отношения теплоемкостей рабочего тела, образовавшегося в процессе сгорания топлива. Представлены аналитические зависимости отношения теплоемкостей в зависимости от температуры продуктов сгорания, коэффициента избытка воздуха и доли сгоревшего топлива для различных составов смесевых видов углеводородного топлива.
При выполнении расчета процесса сгорания топлива в цилиндре тепловозного дизеля методом Вибе, методика которого представлена в работах [1, 2], для расчета текущего значения давления продуктов сгорания по углу поворота коленчатого вала используется уравнение:
р Лх1-2 + Р1 ( К1 2У - V ) т
Р2 ^ , (1)
где 8 - геометрическая степень сжатия дизеля;
^ - общая удельная использованная теплота сгорания;
Лх_2 - доля топлива, сгоревшего на элементарном участке процесса сгорания топлива; Р - давление продуктов сгорания в начале рассматриваемого элементарного участка
процесса сгорания топлива;
^ь - удельный объем продуктов сгорания в начале и конце элементарного участка процесса сгорания топлива;
К1-2 = -1-2— - средняя величина фактора теплоемкости рабочего тела; -1-2 -1 с
— 2 -1 = —— - отношение средних теплоемкостей на элементарном участке процесса сго-
С«
рания топлива.
При выполнении расчета процесса сгорания топлива отношение теплоемкостей рабочего тела к следует определять по температуре, коэффициенту избытка воздуха и доле сгоревшего топлива. Применение для этой цели приближенных формул В. Шюле [3] ограничено линейной зависимостью отношения теплоемкости к от температуры. К тому же, формулы В. Шюле не учитывают влияние на отношение теплоемкости к коэффициента избытка воздуха и доли сгоревшего топлива.
Состав рабочего тела в процессе сгорания меняется от воздуха в начале процесса сгорания до соответствующих избытку воздуха продуктов сгорания топлива в конце процесса сгорания. В общем виде формула отношения теплоемкостей для любого промежуточного состояния рабочего тела будет иметь вид [3]:
8 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 1(17) 2014
= _
