CC BY
18
УДК 621.313.333
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Н.Н. Портнягин, А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, г. Петропавловск-Камчатский, 683003
e-mail: ротю1 @yandex.ru e-mail: marchenko21@mail.ru
В статье представлена модель, позволяющая осуществить резкий сброс частоты питающего напряжения асинхронного двигателя. Представленный в статье график мощности позволяет судить о переводе электродвигателя в генераторный режим. Теоретически обоснован метод уменьшения биений напряжения.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, динамическое нагружение, рекуперативное торможение, генераторный режим.
Modeling of asynchronous electric motor test. A.A. Marchenko, N.N. Portnyagin (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
The model which allows to make a sharp frequency dump supplying voltage to asynchronous engine is
described in the article. Capacity diagram allows us to speak about electric motor transfer to generator mode.
The method of tension reduction is theoretically justified.
Key words: asynchronous engine, dynamic loading, recuperative braking, generating mode.
Задачи диагностирования асинхронных двигателей как во время эксплуатации их в составе судовых электроприводов, так и после выполнения ремонтных работ требуют во время тестовых испытаний проверки электрической части. Наиболее эффективным решением является перевод асинхронного двигателя в генераторный режим с подачей механической нагрузки на ротор через воздействие тормозящего электромагнитного момента [1]. Однако в силу ряда обстоятельств генераторный режим асинхронной машины с активной нагрузкой является неустойчивым и
возможен лишь на короткое время, пока энергии вращения ротора достаточно для удержания
машины в режиме генерации. Это обстоятельство затрудняет проведение натурных
экспериментов, так как требует дополнительных исследований динамики процесса.
В этой ситуации компьютерное моделирование рассматриваемых процессов позволяет выбрать и оценить величины параметров, частоты, времени переходного процесса, биений и т. п. Поэтому нами предлагается модель, настроенная на компьютерный эксперимент, позволяющий
снять параметры процесса генераторного режима при активной нагрузке [2].
Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что проводить испытание электродвигателя целесообразно при помощи устройства, электрическая схема которого представлена на рис. 1.
Переключение питания электродвигателя от частотного преобразователя к трансформатору в момент максимальной скорости производится путем силовой
коммутации, причем сеть будет работать как потребитель электрической энергии до установления двигательного режима. Скорость двигателя при этом изменяется периодически от максимального значения до минимального с частотой задания блока управления преобразователем частоты ПЧ .
Примерные механические
характеристики при периодическом
Рис. 2. Примерные скоростные характеристики электродвигателя
изменении частоты представлены на рис. 2. На участке от ноля до точки Ь происходит разгон электродвигателя, участок Ьс соответствует переходу в генераторный режим асинхронного двигателя, который при резком изменении частоты начинает работать по второй механической характеристике/2. Торможению электродвигателя при отдаче электроэнергии в сеть соответствует участок сй. Переходу из генераторного режима в двигательный соответствует участок йа.
На рис. 3 представлена модель предлагаемой системы, осуществляющей процесс перехода в кратковременный генераторный режим при помощи преобразователя частоты, реализованная в программе компьютерного моделирования средствами пакета МЛТЬЛБ 7.0 [3].
Модель включает в себя:
1) инвертор с коэффициентом модуляции 0,95 и частотой 60 Гц;
2) силовые размыкающий и замыкающий по времени трехфазные ключи;
3) асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 4 КВт;
4) сеть с частотой 50 Гц и напряжением 380 В;
Рис. 3. Модель устройства для нагрузки асинхронного двигателя электромагнитным моментом
Инвертор осуществляет функцию частотного преобразователя со звеном постоянного тока, который прошел проверку способом включения данного электродвигателя от частоты сети 60 Гц, затем от данного устройства с дальнейшим сравнением полученных характеристик. В результате эксперимента были получены схожие зависимости разгона электродвигателя, что позволяет говорить о качестве выходного переменного напряжения инвертора и возможности его применения в системе нагружения электродвигателя электромагнитным моментом.
На участке от 0 до 0,15 происходит установление заданной скорости, соответствующей частоте 60 Гц (рис. 4), при этом на участке от 0 до 0,1 с можно различить резкие колебания момента, соответствующие колебаниям момента при прямом пуске асинхронного двигателя от источника напряжения. Затем на отрезке времени от 0,2 с происходит переключение с частотного преобразователя на сеть 50 Гц. Переключение сопровождается изменением формы напряжения
статора и его частоты. Изменение формы является следствием напряжений биения между сетью и двигателем, работающим на данном участке в режиме генератора и отдающим электроэнергию в сеть. О переходе электродвигателя в режим асинхронного генератора свидетельствуют следующие показатели:
1) отрицательное значение момента на участке от 0,2 с;
2) уменьшение частоты питающего напряжения при неизменной частоте вращения двигателя и достижение обратного значения скольжения как следствие;
3) активная мощность на участке имеет отрицательное значение, что говорит об изменении направления протекания тока (рис. 5)
Рис. 4. Результаты моделирования при подключении частотного преобразователя 60 Гц
Рис. 5. Изменение реактивной и активной мощности при переключении
На участке времени от 0,4 с происходит переключение электродвигателя на преобразователь, двигатель начинает работать по второй механической характеристике, происходит разгон до скорости, соответствующей частоте 60 Гц. Теоретически максимальной частоте электродвигателя может соответствовать частота сети менее 60 Гц, но использование прикладных программ позволяет разгонять электродвигатель максимально без механических повреждений [4]. Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что проводить испытание электродвигателя с использованием электрической нагрузки вместо механической целесообразно при использовании разработанной схемы.
Из рис. 4 видны колебания моментов при переключении от сети 60 Гц на 50 Гц, это можно объяснить несоответствием напряжений по фазе двух источников (асинхронного генератора и сети 50 Гц), работающих параллельно на участке времени от 0,2 до 0,25 с. На первом графике
напряжений четко видно искривление синусоидального сигнала.
Уменьшить такие колебания теоретически представляется возможным при увеличении частоты выходного напряжения инвертора. На рис. 6 представлены результаты эксперимента при увеличении частоты выходного напряжения преобразователя в два раза (100 Гц).
На участке времени от 0,3 с происходит уменьшение колебаний скорости электродвигателя (второй график), уменьшение колебаний момента (третий график). Причиной этому является уменьшение искривления синусоидальной формы сигнала напряжения на статоре электродвигателя вследствие уменьшения биений (первый график).
Рис. 6. Результаты моделирования при подключении частотного преобразователя 100 Гц
Об изменении направления тока можно судить по рис. 7, где активная составляющая мощности по времени показана желтой линией и на протяжении переходного процесса от 0,3 с до
0,35 с имеет отрицательное значение, что соответствует изменению направления тока.
Рис. 7. Изменение реактивной и активной мощности при переключении
Из полученных результатов опытов на имитационной модели, построенной в программе МЛТЬЛБ, видно, что с увеличением частоты напряжения на выходе частотного преобразователя увеличивается качество генераторного режима асинхронного электродвигателя, уменьшаются биения напряжений сети и асинхронного генератора, уменьшаются колебания момента и скорости.
Для получения значения полной мощности, отдаваемой в сеть при рекуперативном торможении двигателем, необходимо получение значений на длительном промежутке времени, что может быть достигнуто при циклическом увеличении частоты сети и ее уменьшении [5]. При получении среднего значения мощности на длительном промежутке времени необходимым условием является плавное прохождение переходных процессов также при увеличении частоты питающего напряжения. На рис. 4 виден резкий скачок момента при обратном переключении на участке времени от 0,4 с (на третьем графике) и уменьшение скорости как следствие (на четвертом графике), то есть увеличение скорости при переключении происходит не сразу. При использовании преобразователя 100 Гц (рис. 6) из-за уменьшения напряжений биений на участке от
0,6 с увеличение скорости имеет более устойчивый характер.
Из проведенных экспериментов можно сделать вывод об использовании как можно большей разности частот питающих напряжений источников, но невозможность частотного преобразователя со звеном постоянного тока пропускать электрический ток в обратном направлении вынуждает применять трехфазную сеть и ставить барьер частоты напряжения не ниже 50 Гц. Улучшение качества переходных процессов может оказаться значительным в практических целях, но нужно помнить, что математическая модель использует идеальный асинхронный электродвигатель, имеющий неисчерпаемый запас прочности подшипников, в то время как реальный электродвигатель не может соответствовать режиму при питании напряжением с частотой 100 Гц.
Полученные нами результаты моделирования позволяют сделать следующие выводы.
1. Перевод асинхронного двигателя в генераторный режим с помощью частотного преобразователя 60 Гц с последующей коммутацией цепи питания на сеть 50 Гц происходит с заметными на глаз биениями, что объяснимо с теоретической точки зрения близостью частот асинхронного генератора и сети. Поэтому для схемотехнической реализации этого режима потребуется микропроцессорное управление.
2. При переходе с частоты 100 Гц на 50 Гц биения практически не ощущаются, так как разностная частота совпадает с частотой питания сети. Однако этот режим не смогут выдержать асинхронные двигатели, применяющиеся в настоящее время на судах промыслового флота, из-за разрушения подшипников.
3. Эффективным решением при схемотехнической реализации является решение с понижением частоты питания асинхронного двигателя с 50 Гц до 25 Гц, что потребует разработки обратимого частотного преобразователя, питающегося от сети 50 Гц, или двух односторонних преобразователей с цепями коммутации, управляемыми микропроцессором.
Литература
1. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB Sim Power Systems и Simulink. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
2. Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978. - 356 с.
3.Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учеб. пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 146 с.
4. Баранов А.П. Раимов М.М. Моделирование электрооборудования и средств автоматизации: Учеб. для вузов. - СПб.: Элмор, 1997. - 232 с.
5. СлонимН.М. Испытания асинхронных двигателей при ремонте. - Л.: Энергия , 1970. - 80 с.
6. КаминскийМ.Л. Центровка валов электрических машин. - Л.: Энергия, 1972. - 72 с.
7. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. - Л.: Энергия,1982. -142 с.
8. Голдберг О.Д. Испытание электрических машин: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2000. -255 c.
