CC BY
73
Транспорт
жения 94 кВ с симметрирующими трансформаторами // Вестник ВНИИЖТ. 2005. №5. С.12-17.
11. Куско А., Томпсон М. Сети электроснабжения. Методы и средства обеспечения качества электроэнергии. М. : Додэка - XXI, 2011. 336 с._
12. Оперативное управление в системах электроснабжения железных дорог / В.П. Закарюкин и др. Иркутск : ИрГУПС. 2012. 129 с.
УДК 621.311.001.57 Суворов Иван Флегонтович,
д. т. н., профессор кафедры электроэнергетики и электротехники, Забайкальский государственный университет, Чита тел. (3022) 41-69-66, e-mail: ivan.suvorov.1947@ mail.ru Романова Виктория Викторовна, аспирант кафедры электроэнергетики и электротехники, Забайкальский государственный университет, Чита тел. 89242734480, e-mail: romanova181@ mail.ru Хромов Сергей Владимирович, аспирант кафедры электроэнергетики и электротехники, Забайкальский государственный университет, Чита тел. 89145095920, e-mail: sergeixrom@inbox.ru
НОВЫЙ ПОДХОД К НОРМИРОВАНИЮ КОЭФФИЦИЕНТА НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ k2u ДЛЯ УЗЛОВ НАГРУЗОК СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
I. F. Suvorov, V. V. Romanova, S. V. Khromov
A NEW APPROACH TO THE k2u NEGATIVE SEQUENCE VOLTAGE UNBALANCE COEFFICIENT LOAD NODES REGULATION FOR OF POWER SUPPLY SYSTEMS WITH
ASYNCHRONOUS MOTORS
Аннотация. На основе компьютерного моделирования с использованием программного комплекса Matlab и пакета Simulink рассмотрены вопросы исследования режимов работы асинхронных двигателей (АД) разных типов и мощностей. Для исследования были смоделированы шесть двигателей трёх различных мощностей (7,5 кВт, 75 кВт, 200 кВт) двух разных серий (4А, АИ). Величину несимметрии системы питающих напряжений изменяли от 0 % до 5 %. Нагрузка на валу электродвигателей изменялась от 0 % до 120 % от номинальной нагрузки электродвигателя. Проводилось сравнение зависимостей фазных токов от коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности kiU асинхронных двигателей с короткозамкну-тым ротором серии 4А и АИ. В результате исследования получены графические зависимости токов в фазах АД от kiU. Проведён анализ полученных зависимостей. На основании данных зависимостей построены точечные диаграммы, позволяющие определять допустимый диапазон коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в зависимости от загрузки АД. Представлены соответствующие выводы. Предложен и обоснован новый подход к нормированию kiU для узлов нагрузок систем электроснабжения с асинхронными двигателями.
Ключевые слова: компьютерное моделирование в среде Matlab/Simulink, асинхронный двигатель, режимы работы асинхронного двигателя, несимметрия напряжений.
Abstract. On the base of computer simulation using Matlab and Simulink software, the questions of research of operation modes of induction motors of various types and capacities are considered. For the study six motors of three different capacities (7.5 kW, 75 kW, 200 kW) and two different series (4A, AI) were modelled. The unbalance of the system voltages was changed from 0 % to 5 %. The load on the motor shaft was changed from 0 % to 120 % of the rated load of the motor. Dependences of the phase currents on the negative sequence voltage unbalance coefficient k2U asynchronous motors with squirrel-cage motors series 4A and AI were compared. The study obtained the currents graphic dependences on k2U in AM phases. The analysis of the obtained dependences was made. On the basis of dependences data we constructed scatter plots that allow to determine the valid range of the coefficient of voltage unbalance on the reverse sequence depending on download AM. Appropriate conclusions. A new approach to rationing km for the load nodes of power supply systems with induction motors is proposed and justified.
Keywords: computer modeling in Matlab/Simulink software, asynchronous motor, asynchronous motor modes, voltage asymmetry.
Введение
В настоящее время проблемам обеспечения качества электрической энергии (КЭЭ) уделяется особое внимание. В современных условиях такие показатели качества электрической энергии (ПКЭ), как несимметрия напряжений, несинусоидальность, стали неотъемлемыми факторами, ощутимо
снижающими эффективность работы самих систем электроснабжения и, соответственно, потребителей, подключенных к ним. Ежегодно промышленность несёт экономические потери из-за неудовлетворительного состояния КЭЭ. Связано это в основном с убытками на замену вышедшего из строя оборудования и вынужденного простоя.
Т а б л и ц а 1
Технические данные трехфазных _ асинхронных двигателей
Мошность Марка двигателя Номинальная частота П соsф Кратность Кратность
двигателя, Рн, кВт вращения, п, об./мин пускового момента, Кмп пускового тока, Кп
7,5 4A132S4Y3 1500 87,5 0,86 2,2 7,5
75 4А250S4Y3 1500 93 0,9 1,2 7
200 4А315М4Y3 1500 94 0,92 1,3 6
7,5 АИР13284 1500 87,5 0,86 2 7,5
75 АИР25084 1500 94 0,88 1,7 7,5
200 АИР355М6 1500 94,5 0,9 1,6 7
Как известно, основной нагрузкой в промышленности являются электрические двигатели, которые составляют около 60 % нагрузки электрических систем.
Для повышения эффективности работы потребителей, имеющих в своем составе асинхронные электродвигатели, необходимо комплексное исследование несимметричных режимов работы для выявления допустимых значений ПКЭ для нормальных режимов работы асинхронных двигателей
(АД).
Основной задачей работы является исследование режимов работы АД с короткозамкнутым ротором с помощью компьютерных имитационных экспериментов с использованием программного комплекса МайаЬ и пакета Simulink для определения допустимого диапазона коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности £2 и (при нормальном режиме работы АД) в зависимости от загрузки АД.
Представленный далее метод исследования предполагает подходить к КЭЭ со стороны допустимых режимов работы АД, т. к. приведённые исследования показывают, что даже при соблюдении ГОСТ 32144-2013 [1] может не обеспечиваться нормальный режим работы АД. На основании проведенных исследований формируются:
1) основные рекомендации по эксплуатации АД в условиях несимметрии системы питающих напряжений;
2) новый подход к нормированию коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в узлах систем электроснабжения с асинхронной электродвигательной нагрузкой.
Материалы и методы исследования
Исследование режимов работы АД эффективно проводить с помощью компьютерного моделирования на виртуальной модели, реализованной в наглядном и эффективном средстве имитационного моделирования Simulink интерактивной среды программирования МаЛаЬ с использованием
Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя [2].
Ранее авторами статьи разработана компьютерная модель, которая позволяет проводить анализ режимов работы АД в условиях несимметрии системы питающих напряжений [3, 4].
В качестве объекта исследования выбраны асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии 4А (4A132S4Y3 с Р = 7,5 кВт;
4А250S4Y3 с Р = 75 кВт; 4А315М4Y 3 с Р = 200
н н
кВт) и серии АИ (АИР132S4 с Р== 7,5 кВт; АИР250S4 с Р = 75 кВт; АИР355М6 с Р = 200 кВт)
нн
с номинальными параметрами, приведенными в табл. 1 [5, 6].
С использованием разработанной модели были исследованы режимы работы АД с короткоза-мкнутым ротором:
- при различной нагрузке на валу двигателя (0-120 %),
- при изменении величины коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности (£2 и) - от 0 до 5 % [1].
Результаты исследования и их обсуждение В настоящей работе было смоделировано шесть двигателей трёх различных мощностей (7,5 кВт, 75 кВт, 200 кВт) двух разных серий (4А, АИ). В результате моделирования получены графические зависимости фазных токов от £20.
Для каждой фазы рассматриваемых АД были построены зависимости токов от к2и, при различных значениях нагрузки на валу двигателя.
В итоге получено 9 указанных зависимостей токов в фазах АД серии 4 А, АИ с Р = 7,5; 75;
200 кВт. н
Основной вид изменения тока в фазе «А» АД серий 4 А, АИ с Р = 7,5 кВт при различных значениях £20 и различных значениях нагрузки на валу двигателя представлен на рис. 1.
Транспорт
170,00%
160,00%
150,00%
140,00%
130,00%
о4 120,00%
£ о 110,00%
н ни 100,00%
т о 90,00%
е з 80,00%
а ■& 70,00%
в S4 60,00%
о н 50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
k2U, %
0% АИ 20% АИ 40% АИ 60% АИ 80% АИ 100% АИ 120% АИ 0% 4А 20% 4А 40% 4А 60% 4А 80% 4А 100% 4А 120% 4А
Рис. 1. Зависимость тока в фазе «А» АД серий 4А, АИ с Р = 7,5 кВт от k2u при различных постоянных коэффициентах загрузки кз
Зависимости токов в фазах остальных АД серий 4А, АИ с Р = 7,5; 75; 200 кВт построены аналогичным способом.
Анализ зависимостей, полученных в результате исследования режимов работы АД, позволил выявить следующие закономерности:
1) при повышении к2и происходит снижение тока в одной из фаз двигателя, а в двух других фазах наблюдается возрастание тока;
2) координаты точек (к2и, кз и ток в фазе), от которых начинается превышение величины тока в одной из фаз более 1,11 н (это допустимая величина превышения в соответствии с требованиями релейной защиты [7,8]), приведены в табл. 2. Результаты дифференцированы по мощности, серии АД, коэффициенту загрузки кз и коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности
Т а б л и ц а 2
Анализ полученных результатов
кз, % k2U, % Серия АД Фаза АД кз, % k2U, % Серия АД Фаза АД
АД Рн = 7,5 кВт
80 4,8 АИ А 80 3,7 4А А
100 2 АИ А 100 1,4 4А А
100 3,5 АИ В 80 3,8 4А В
- - - - 100 4,8 4А В
АД Рн = 75 кВт
40 4,3 АИ А 60 4 4А А
60 3,2 АИ А 80 2,4 4А А
80 1,9 АИ А 100 0,8 4А А
100 0,8 АИ А 80 4,9 4А В
80 4,9 АИ В 100 3,5 4А В
100 3,5 АИ В - - - -
АД Рн = 200 кВт
60 4,6 АИ А 60 4,2 4А А
80 2,8 АИ А 80 2,7 4А А
100 1 АИ А 100 1 4А А
- - - - 100 4,5 4А В
0
1
2
3
4
5
АИ фаза А 4А фаза А АИ фаза В Х4А фаза В
50
кз,%
100
150
Рис. 2. Точечная диаграмма АД Р = 7,5 кВт
♦4А фаза А АИ фаза А АИ фаза В Х4А фаза В
50
100
150
к.,%
Рис. 3. Точечная диаграмма АД Рп = 75 кВт
50 100
к.,%
Рис.4. Точечная диаграмма АД Р = 200 кВт
а также указывается фаза, в которой наблюдалось данное превышение.
На основании полученных данных для АД серий 4А и АИ с Р = 7,5; 75; 200 кВт были построены
точечные диаграммы, приведенные на (рис. 2-4),
описывающие зависимость момента превышения допустимой величины тока, равной 1,11н.
Координаты по осям абсцисс и ординат позволяют точно установить момент превышения величины тока АД, т. е. с помощью данных графиков
0
0
Транспорт
появляется возможность определения предельные величины k2u и кз в момент превышения допустимой величины тока.
На диаграммах (рис. 2-4) изображены точки токов в фазах «А» и «В», при этом точки токов фазы «С» отсутствуют, т. к. в фазе «С» независимо от серии и мощности АД происходит постоянное снижение тока, т. е. превышение контрольной величины тока может быть получено при коэффициента загрузки больше 110 %. Следовательно, отображение точек фазы «С» не даст нам необходимой информации, а лишь усложнит анализ.
В результате компьютерного моделирования было установлено, следующее.
Электродвигатели с номинальной
мощностью 7,5 кВт
1.1. Большему влиянию несимметрии питающего напряжения подвержены АД серии 4А Р = 7,5
кВт, т. е. электродвигатели малой номинальной мощности указанной серии могут выходить из строя даже при нормируемых ГОСТ 32144-2013 значениях feu (предельно допустимое значение составляет 4 %). Так, при величине загрузки, равной 100 %, ток в фазе «А» превышает допустимый ток перегрузки, принятый равным 1,1 номинального тока, при feu = 1,4 %, а для АД серии АИ Р = 7,5
кВт это происходит при значении feu = 2 %. Электродвигатели серии 4А перегружаются уже при 80 процентной загрузке, работая в допустимом диапазоне feu, а серии АИ - при 100-процентной загрузке.
1.2. Перегрузка по току двигателей серии 4А указанной мощности может наблюдаться за предельно допустимым значением feu = 4 % только начиная с коэффициента загрузки кз = 60 %, а для серии АИ - с кз = 80 %, при повышении коэффициента загрузки до 100 % уже наблюдается начало перегрева изоляции статорных обмоток при k2u от 1,4 % до 3,8 %.
Электродвигатели с номинальной
мощностью 75 кВт
2.1. Начало перегрева наблюдается у указанных АД при k2u = 0-4 %, тогда как должно наблюдаться за пределами этого диапазона, причем наблюдается при кз = 60-100 %.
2.2. При загрузке двигателя серии АИ до 40 %, а для двигателя серии 4А до 60 % будет наблюдаться нормальный режим работы АД при нормируемом значении k2u от 0 до 4 %.
2.3. Двигатели серии АИ Р = 75 кВт более
чувствительны к несимметрии напряжений, чем двигатели серии 4А этой же мощности.
Электродвигатели с номинальной
мощностью 200 кВт
3.1. Для двигателей обеих серий при кз до 60 % будет наблюдаться нормальный режим работы при к2и от 0 до 4 %, что соответствует ГОСТ 32144-2013.
3.2. При кз более 80 % обеих серий происходит начало перегрева статорных обмоток в нормируемых диапазонах к2и.
4. Полученные данные показывают, что на допустимый режим работы АД при несимметрии питающего напряжения оказывают влияние следующие показатели: серия и мощность двигателя, кз и к2и. Это свидетельствует о том, что при разработке средств, для обеспечения стабильной работы АД, необходимо учитывать все эти факторы.
Например, если кз для АД серии АИ Рн = 7,5 кВт составляет 80 %, а не 100 %, то значение допустимого к2и становиться не 2 %, а 4,8 %. То есть это означает, что при к2и до 4,8 % (при условии отсутствия других факторов влияющих на работу АД) будет обеспечен стабильный режим работы данного электродвигателя.
5. Точки (рис. 24) расположенные в диапазонах к2и от 0 до 2 %, а также от нормально к2и = 2% до предельно допустимого значений к2и = 4 % [1] указывают на необходимость анализа наиболее вероятных параметров к2и в реальных условиях эксплуатации (длительности - максимально непрерывной, либо часто повторяющегося коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности, модуля его величины) для узлов нагрузок систем электроснабжения с асинхронными электродвигателями. Так, при существующем ГОСТ 32144-2013, в самом неблагоприятном случае, максимальная длительность подобной несимметрии может составлять 8,4 часа [1], что, соответственно, может привести к ускоренному старению изоляции обмоток асинхронных электродвигателей. Это, несомненно, приведёт к выходу его из строя.
Заключение
Анализ точечных диаграмм (рис. 2-4) показывает, что существующие нормы [1], как правило, не совпадают с нормальными режимами работы АД. Так при кз в пределах от 60 % до 80 % наблюдается начало перегрева большинства АД при к2и менее 4 %. Диапазон нормальных режимов работы
АД серии 4А находится при кз от 0 % до 60 %, при наличии несимметрии напряжений в нормируемых значениях к2и от 0% до 4%.
Результаты исследований режимов работы асинхронных электродвигателей показывают, что
нормирование коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности следует производить исходя из допустимых режимов работы электродвигателей и их серийно выпускаемых моделей.
При выборе АД необходимо обращать внимание не только на серию и мощность электродвигателя, но и на его загрузку, т. к. при наличии несимметрии напряжений влияние её на режим работы АД зависит именно от этих трёх параметров.
Кроме того, результаты исследования будут необходимы для разработки и проектирования объектов СЭС, содержащих АД, особенно это будет актуально для регионов с большим количеством однофазной нелинейной нагрузки. Целесообразность применения результатов исследования обусловлена внедрением технических средств управления КЭЭ, т. к. для технического задания нужен расчёт несимметричных токов питающих потребителя [9]. Также необходим индивидуальный подход, хотя бы в пределах одного предприятия: обслуживающий персонал должен знать необходимые пределы норм по КЭЭ для каждого электрооборудования либо групп электроприемников с одинаковыми требования по КЭЭ, это должно быть отражено в технических документах по обслуживанию оборудования [10].
Полученные данные будут основой для проектирования узлов нагрузок с АД тупиковых ветвей систем электроснабжения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 32144 - 2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М. : Стандартинформ, 2014. 19 с.
2. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МА^АВ, SimPowerSystems и 8тиНпк. М. : ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
3. Суворов, И.Ф., Романова В.В., Хромов С.В. Исследование влияния несимметрии фазных напряжений на режимы работы асинхронных двигателей в среде имитационного моделирования MATLAB/Simulink // Вестник ЮУрГУ. Сер.: Энергетика. 2016. Т. 16, № 3. С. 72-83.
4. Романова В.В., Хромов С.В. Исследование несимметрии напряжений в узлах присоединения тяговых подстанций к питающей сети на участках Забайкальской железной дороги // Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление : сб. ст. всерос. конф. Иркутск : ИСЭМ СО РАН, 2015. С. 195-203.
5. Технические данные асинхронных электродвигателей переменного тока с к.з. ротором серии АИ [Электронный ресурс]. URL:http://principact.ru/ content/view/166/72/ (дата обращения 24.10.2016).
6. Технические характеристики асинхронных двигателей серии 4А. [Электронный ресурс]. URL:http://www.elektrikii.ru/publ/6-1-0-55 (дата обращения 24.10.2016).
7. Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты [Электронный ресурс] / С.А. Гонду-ров и др. Ч. 5. Защита электродвигателей от перегрузки. URL:http ://www.bmrzzakharov.narod.ru /raschet/overload.html (дата обращения 11.11.2016).
8. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. М. : Энергоатомиздат, 1987.
9. Henaman Geoffrey. Connecting nonlinear loads to public electricity systems a guide to Engineering Recommendation G5/4 // Power Eng. J. 2002. 16, № 2. PP. 77-87.
10. Соловьёв С.В. Разработка методики расчёта общего случая несимметрии в системах электроснабжения и обеспечение надёжной работы электроустановок при нарушениях качества электрической энергии : дис. канд. техн. наук. М., 2011. 165 с.
