CC BY
12
УДК 621.313.33:621.3.07:621.314.57 ББК 31.261.63+34.47+31.264.5
Д.И. ПОПОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗВЕНА ПОСТОЯННОГО ТОКА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ МАШИН
Ключевые слова: испытательный комплекс, электрическая машина, нагрузочные испытания, математическая модель, преобразователь частоты.
В статье обоснована актуальность вопроса испытаний асинхронных машин и разработки энергоэффективных электротехнических комплексов для проведения испытаний методом взаимной нагрузки. Отмечен наиболее энергозатратный вид испытаний - испытание на нагрев под номинальной нагрузкой в течение одного часа. Данный вид испытаний в соответствии с государственными стандартами является обязательным для проведения при приемочных и приемосдаточных испытаниях и не может быть заменен на упрощенные безнагрузочные испытания. Рассмотрены энергоэффективные схемы испытаний с нагрузочной асинхронной машиной и машиной постоянного тока, позволяющие осуществить передачу электрической энергии испытуемому двигателю от нагрузочного генератора по звену постоянного тока. Поставлена проблема определения необходимого значения емкости конденсатора в звене постоянного тока схемы испытаний в процессе проектирования испытательного комплекса. В результате математического моделирования получены зависимости максимальных напряжений и действующего значения тока конденсатора от его емкости при различных номинальных мощностях машин. Проведен сравнительный анализ результатов моделирования для различных схем испытаний. Получены зависимости необходимых значений емкости конденсатора различных схем от номинальной мощности испытуемого двигателя при обеспечении определенных значений максимальных пиков напряжения в звене постоянного тока в установившемся режиме работы. Отмечено, что при пуске машин в звене постоянного тока схем испытаний возникают значительно большие скачки напряжения, чем в установившемся номинальном режиме работы, вследствие чего определение параметров звена постоянного тока должно осуществляться в результате анализа возможных переходных процессов. Рассмотрен вариант вывода испытуемого двигателя на режим номинальной нагрузки путем увеличения частоты напряжения, подаваемого на обмотки статора, по экспоненциальному закону. Для рассмотренного варианта нагружения машин построены зависимости необходимых значений емкости конденсатора от номинальной мощности испытуемого двигателя. Выполнено сравнение данных зависимостей для переходного и установившегося режимов работы. Сделаны выводы, имеющие практическую ценность при проектировании электротехнических комплексов для испытаний асинхронных машин.
Неотъемлемой частью производства и эксплуатации электрических машин является проведение их испытаний для подтверждения соответствия реальных характеристик заявленным [13]. Такие испытания (приемочные и приемосдаточные) проводят на заводах-изготовителях и ремонтных предприятиях1.
1 ГОСТ 2582-2013 Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2014. 56 с.; ГОСТ 11828-86 Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. 31 с.
Основным критерием, определяющим срок службы машины, является срок службы ее изоляционных конструкций, который, в свою очередь, определяется их температурой в процессе работы [3, 14, 15]. В связи с этим в перечень как приемочных, так и приемосдаточных испытаний включены испытания на нагревание в номинальном режиме в течение одного часа. Данный вид испытаний из всего перечня является наиболее энергозатратным. При этом он не может быть заменен на более простые виды испытаний (например, опыт холостого хода и короткого замыкания), так как они не дают достаточную информацию для точной оценки теплового состояния машины в процессе работы ввиду значительных упрощений [4]. С целью снижения затрат электроэнергии предлагаются укороченные по времени нагрузочные испытания [1], при которых также может быть использован метод взаимной нагрузки. Однако следует отметить, что данные виды испытаний не соответствуют государственным стандартам.
Для повышения энергетической эффективности испытаний асинхронных машин (АМ) ранее был разработан ряд схем взаимной нагрузки [2, 511], в которых валы испытуемой и нагрузочной машин жестко соединены муфтой. Анализ особенностей работы данных схем выполнен в работе [12]. Во всех схемах, приведенных в источниках [2, 5-11], одна или обе машины подключаются к выходам инверторов напряжения, являющихся отдельными устройствами или входящими в состав преобразователей частоты (ПЧ). В схеме, приведенной в источнике [5] (рис. 1) с нагрузочной асинхронной машиной (НАМ), и в схеме [8] (рис. 2) с нагрузочным генератором постоянного тока (НГПТ) передача энергии от нагрузочной к испытуемой машине осуществляется по звену постоянного тока (ЗПТ). При этом конденсатор, включенный в ЗПТ, при проектировании ПЧ выбирается без учета условий работы в схеме со взаимной нагрузкой. Следовательно, в данном случае требуется оценка особенностей условий работы конденсатора в данных схемах.
Неуправляемый выпрямитель 1
Неуправляемый выпрямитель 2
Рис. 1. Схема взаимной нагрузки с испытуемой и нагрузочной АМ
В схеме, представленной на рис. С1 и С2 обозначим как С = С1 + С2.
1, суммарную емкость конденсаторов
Неуправляемый выпрямитель
' II •
Рис. 2. Схема взаимной нагрузки АМ с НГПТ
При проектировании испытательного комплекса по схеме, приведенной в [7] (рис. 3), требуется определять необходимую величину емкости С.
? ? ?
Неуправляемый выпрямитель
Рис. 3. Схема взаимной нагрузки с испытуемой и нагрузочной АМ без ПЧ
Остальные технические решения, представленные в источниках [2, 6, 9-11], являются аналогами схем, приведенных на рис. 1-3, анализ которых можно обобщить на полный их перечень, приведенный в работах [2, 5-11].
Таким образом, для различных схем испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки требует решения задача определения или уточнения необходимой величины емкости конденсатора в звене постоянного тока.
Проведем анализ зависимости скачков напряжения и тока конденсатора от его емкости при различных номинальных мощностях испытуемых машин. Для расчета данных параметров конденсатора в различных схемах
взаимной нагрузки применим математические модели, представленные в работе [12].
Результаты расчета максимальных значений скачков напряжения на конденсаторе ик тах и действующих значений тока /к для установившегося режима работы при различных номинальных мощностях испытуемого двигателя Рн приведены на рис. 4.
ик,В
2000
1500
1000
500 0,1
ик,в
2000
1500
1000
500 1
ик,в 2000 1500 1000
500
10
10
100
д
10
100
1000 С, мкФ
/к, А ик, В
2000
1500
1000
500 0,01
и,В
к
2000
1500
1000
500 0,1
и,В
к
2000
1500
1000
500 1
0
С, мкФ
/к, А
15 10 5
0
С, мкФ
/к, А 200 150 100 500
/, А
к
0,1
10
10
С, мкФ
/, А
к
С, мкФ
/, А
к
70 65 60
55
100 С, мкФ
Рис. 4. Максимальное напряжение и действующее значение тока конденсатора при различных параметрах: а - Рн = 0,37 кВт (НАМ); б - Рн = 0,37 кВт (НТПТ); в - Рн = 5,5 кВт (НАМ); г - Рн = 5,5 кВт (НТПТ); д - Рн = 37 кВт (НАМ); е - Рн = 37 кВт (НТПТ)
1
1
б
а
1
в
г
е
При расчете схемы, приведенной на рис. 2, нагрузочный I I1Т принимался той же номинальной мощности, что и испытуемый асинхронный двигатель. Результаты моделирования данной схемы представлены на рис. 4, а, в, д.
При расчете схем, изображенных на рис. 1 и 3, испытуемая и нагрузочная асинхронные машины (НАМ) принимались с идентичными параметрами. Различие в данных схемах состоит в том, что два параллельно включенных выпрямителя в первой схеме (см. рис. 1) заменены на один во второй схеме (см. рис. 3) и аналогично два параллельно включенных конденсатора (см. рис. 1) заменены на один (см. рис. 3). В связи с этим результаты моделирования данных двух схем объединены на рис. 4, б, г, е. В случае схемы с двумя ПЧ в качестве емкости C на рис. 4 принята сумма емкостей конденсаторов обоих ЗПТ.
На практике необходимое значение емкости конденсатора определяется его способностью ограничить пики напряжения в ЗПТ до определенного уровня. Математическое моделирование позволило определить значения емкости ЗПТ, необходимые для ограничения напряжения в установившемся режиме работы схемы на уровне ик < 550 В (С550), U < 600 В (С6оо), ик < 800 В (С800), ик < 1000 В (С1000), графики зависимости которых от номинальной мощности испытуемого двигателя для схемы с НАМ приведены на рис. 5, 6.
Графики зависимости значений емкости ЗПТ, необходимых для ограничения напряжения в установившемся режиме работы схемы с НГПТ на тех же уровнях, приведены на рис. 6.
Анализ результатов выполненного математического моделирования схем взаимной нагрузки асинхронных машин для установившегося режима работы показывает, что с увеличением емкости конденсатора ЗПТ максимальные значения ик снижаются экспоненциально и стремятся к некоторой постоянной величине. Однако при увеличении емкости выше некоторого значения начинает резко возрастать действующее значение тока конденсатора (см. рис. 4).
Увеличение номинальной мощности испытуемого двигателя на порядок увеличивает необходимую емкость ЗПТ приблизительно также на порядок: данная зависимость имеет вид, близкий к прямолинейному (см. рис. 5 и 6). Сравнение результатов моделирования схем с НАМ и НГПТ (см. рис. 4) показывает, что наличие в схеме НГПТ, подключенного к звену постоянного тока, значительно снижает пики напряжения на конденсаторе, что приводит к уменьшению необходимых значений емкости для всего ряда мощностей Рн.
В переходных режимах работы испытуемой и нагрузочной машин скачки напряжения в ЗПТ преобразователя частоты могут быть значительно выше, чем в установившемся режиме. Следовательно, выбор необходимого значения емкости конденсатора для ЗПТ ПЧ должен осуществляться в первую очередь исходя из расчета переходных режимов.
С, мкФ 100 10
1
0,1 0,01
0,1 1 10 Рн, кВт
Рис. 5. Значение емкости конденсатора, необходимое для ограничения напряжения при установившемся режиме работы в схеме с НАМ: 1 - С550 = /(Рн), 2 - С600 = / (Рн), 3 - С800 = / (Рн), 4 - С1000 = / (Рн)
С, мкФ 100 10
1
0,1 0,01
0,1 1 10 Рн, кВт
Рис. 6. Значение емкости конденсатора, необходимое для ограничения напряжения при установившемся режиме работы в схеме с НГПТ: 1 - С550 = /(Рн), 2 - Сб00 = / (Рн), 3 - С800 = / (Рн), 4 - С1000 = / (Рн)
При проведении испытания на нагрев в схеме используются два переходных режима: при пуске и остановке машин. Более опасным для оборудования, как правило, является переходной режим с увеличением нагрузки. Однако конкретные значения максимального напряжения на конденсаторе при пуске машин зависят от параметров алгоритма вывода их на режим нагрузки. Оптимизация данных алгоритмов является вопросом для дальнейших исследований. В данной работе для примера приведены результаты моделирования переходного процесса при нагружении испытуемого асинхронного двигателя (ИАД) и НАГ путем увеличения частоты напряжения /иад, /НАГ), подаваемого на их обмотки статора, по экспоненциальным законам с различными асимптотами, как показано на рис. 7.
/, Гц 40 30 20 10
0 0,05 0,10 0,15 ^ с
Рис. 7. Пример графиков изменения частоты напряжения, подаваемого на обмотки статора асинхронных машин: 1 - испытуемой; 2 - нагрузочной
Пример расчета частоты вращения ротора (п2), напряжения (ик) и тока конденсатора (/к) для испытуемой машины с Рн = 5,5 кВт при значении С = 20 мкФ приведен на рис. 8, 9.
Результаты проведенного моделирования для номинальных мощностей от 0,37 кВт до 37 кВт для рассмотренного варианта вывода машин на режим нагрузки приведены на рис. 10.
Анализ полученных результатов показывает, что при рассматриваемом варианте нагружения машин зависимости необходимых емкостей конденсатора от Рн принципиально имеют вид, аналогичный приведенному на рис. 5 при установившемся режиме. Однако для переходного режима все значения емкости С необходимо увеличить более чем на порядок по сравнению с аналогичным показателем установившегося режима.
П2, об/мИН
1500 1000 500
0 0,05 0,10 0,15 Г, с
Рис. 8. Результаты расчета частоты вращения ротора при выводе машин мощностью 5,5 кВт на режим номинальной нагрузки
0 0,05 0,10 0,15 г, с
а
0 0,05 0,10 0,15 г, с
б
Рис. 9. Результаты расчета переходного процесса при выводе машин мощностью 5,5 кВт на режим номинальной нагрузки: а - напряжение на конденсаторе; б - ток, проходящий по конденсатору
С, мкФ 100000 10000 1000 100
10
кВт
Рис. 10. Значения емкости конденсатора, необходимые для ограничения пиков напряжения при выводе машин на режим номинальной нагрузки: 1 - С550 = /(Рн), 2 - Сб00 = / (Рн), 3 - С800 = / (Рн), 4 - Сюсс = / (Рн)
1
Выполненное математическое моделирование переходных и стационарных режимов работы схем испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки позволило определить зависимости необходимых значений емкости конденсатора для снижения пульсаций напряжения в звене постоянного тока от номинальной мощности испытуемого двигателя.
Результаты расчетов показывают, что схема с нагрузочной машиной постоянного тока менее склонна к перенапряжениям на конденсаторе, включенном в звено постоянного тока.
Полученные зависимости для переходного и стационарного режимов работы указывают на необходимость проведения исследований, направленных на разработку оптимальных алгоритмов нагружения электрических машин в процессе их испытаний с учетом возникающих скачков напряжения в звене постоянного тока.
Литература
1. Афанасов А.М. Определение рациональных режимов взаимного нагружения тяговых двигателей электроподвижного состава магистрального и промышленного транспорта // Наука та прогрес транспорту. 2014. № 4 (52). C. 67-74.
2. Бейерлейн Е.В., Цукублин А.Б., Рапопорт О.Л. Схема испытания тяговых частотно-регулируемых асинхронных электродвигателей // Известия вузов. Электромеханика. 2006. №3. С. 46-48.
3. Бекишев Р.Ф., Дементьев Ю.Н. Электропривод. М.: Юрайт, 2018. 301 с.
4. Епифанов А.П., Епифанов Г.А. Электрические машины. СПб: Лань, 2017. 300 с.
5. Пат. 140678 РФ, МПК G01R31/34. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В. Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов (РФ). № 2013147519/28; заявл. 24.10.2013; опубл. 20.05.2014, Бюл. № 14. 2 с.
6. Пат. 143348 РФ, МПК G01R31/00. Устройство для испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов (РФ). № 2014112919/28; заявл. 02.04.2014; опубл. 20.07.2014, Бюл. № 20. 2 с.
7. Пат. 145998 РФ, МПК G01R31/34. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, В.В. Харламов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов (РФ). № 2014112920/07; заявл. 02.04.2014; опубл. 27.09.2014, Бюл. № 27. 2 с.
8. Пат. 178716 РФ, МПК G01R31/00. Стенд для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки / В.В. Харламов, Д.И. Попов (РФ). № 2017143232; заявл. 11.12.2017; опубл. 17.04.2018, Бюл. № 11. 5 с.
9. Пат. 2200960 РФ, МПК G01R31/34. Устройство для испытаний бесколлекторных электрических машин переменного тока / А.С. Курбасов, И.Л. Таргонский, Э.А. Долгошеев (РФ). № 2001101213/09; заявл. 12.11.2001; опубл. 20.03.2003, Бюл. № 8. 1 с.
10. Пат. 2433419 РФ, МПК G01R31/34. Способ испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки / В. Д. Авилов, А.И. Володин, В.Т. Данковцев, В.В. Лукьянченко, Е.В. Панькин (РФ). № 2010124307/28; заявл. 15.06.2010; опубл. 10.11.2011, Бюл. № 31. 6 с.
11. Пат. 80018 РФ, МПК G01R31/04. Устройство для испытания асинхронных тяговых электродвигателей / Е.В. Бейерлейн, А.Б. Цукублин, О.Л. Рапопорт (РФ). № 2008115647/22; заявл. 21.04.2008; опубл. 20.01.2009, Бюл. № 2. 1 с.
12. Попов Д.И. Анализ энергетической эффективности электротехнических комплексов испытаний асинхронных машин // Известия Тульского государственного университета. Сер. Технические науки. 2018. № 12. C. 118-123.
13. Cummings P.G., Bowers W.D., Martiny W.J. Induction Motor Efficiency Test Methods. IEEE Transactions on Industry ApplicationsVolume IA-17, 1981, iss. 3, May/June, pp. 253-272.
14. Gonzalez-Cordoba J.L., Granados-Lieberman D., Osornio-Rios R.A., Romero-Troncoso R.J., De Santiago-Pérez J.J., Valtierra-Rodriguez M. Methodology for overheating identification on induction
motors under voltage unbalance conditions in industrial processes. Journal of Scientific and Industrial Research, 2016, vol. 75, iss. 2, pp. 100-107.
15. Pillay P., Manyage M. Loss of life in induction machines operating with unbalanced supplies. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, vol. 21, iss. 4, pp. 813-822.
ПОПОВ ДЕНИС ИГОРЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электрических машин и общей электротехники, Омский государственный университет путей сообщения, Россия, Омск (popovomsk@yandex.ru).
D. POPOV
DEFINITION OF NECESSARY PARAMETERS OF DC LINK OF ELECTRICAL SYSTEMS FOR TESTING INDUCTION MACHINES Key words: test complex, electric machine, load tests, mathematical model, frequency converter.
The article substantiates the relevance of the question of testing induction machines and the development of energy-efficient electrical systems for testing by method of mutual load. The most energy-intensive type of tests is that for heating under rated load during one hour. This type of test is mandatory for acceptance tests in accordance with state standards and cannot be replaced by simplified non-load tests. The article considers energy-efficient scheme of testing induction motors with induction loading machine and a DC loading machine. The problem of determining the required capacitance value in the DC link of the test circuit during the design of the test complex is posed. As a result of mathematical modeling, the dependences of the maximum voltage and the current value of the capacitor are obtained. The comparative analysis of simulation results for different test schemes is carried out. The authors obtained the dependences of the required capacitance values of the capacitor of different schemes on the rated power of the tested engine while providing certain values of the maximum voltage peaks in the DC link in the steady-state operation. It is noted that when starting the machines in the DC link of the test circuits there are much larger voltage surges than in the steady-state nominal mode of operation. Therefore, the determination of the parameters of the DC link should be carried out as a result of the analysis ofpossible transients. The variant of output of the test engine to the rated load mode by increasing the frequency of the voltage applied to the stator windings is considered according to the exponential law. For the considered variant of loading machines, the dependences of the required capacitor capacitance values on the rated power of the tested engine are obtained. A comparison of these dependencies for transient and steady-state operation is performed. Conclusions made in the article have practical value in the design of electrical systems for testing induction motors.
References
1. Afanasov A.M. Opredelenie ratsional'nykh rezhimov vzaimnogo nagruzheniya tyagovykh dvigatelei elektropodvizhnogo sostava magistral'nogo i promyshlennogo transporta [Rational modes determination of traction motors loading-back for electric rolling stock in mainline and industrial transport]. Nauka TaProgres Transportu [Science and Transport Progress], 2014, no. 4(52), pp. 67-74.
2. Beierlein E.V., Tsukublin A.B., Rapoport O.L. Skhema ispytaniya tyagovykh chastotno-reguliruemykh asinkhronnykh elektrodvigatelei [Scheme of testing of traction frequency-controlled induction motors]. Izvestiya vuzov. Ser. Elektromekhanika, 2006, no. 2, pp. 46-48.
3. Bekishev R.F., Dementev YU. N. Elektroprivod [Electric drive]. Moscow, Urait Publ., 2018,
301 p.
4. Epifanov A.P., Epifanov G.A. Elektricheskie mashiny [Electric machines]. St. Petersburg, Lan' Publ., 2017, 300 p.
5. Avilov V.D., Popov D.I., Litvinov A.V. Skhema ispytanii asinkhronnykh dvigatelei metodom ikh vzaimnoi nagruzki [Scheme of testing of induction motors by their mutual load]. Patent RF, no. 140678, 2014.
6. Avilov V.D., Popov D.I., Litvinov A.V. Ustroistvo dlya ispytaniya asinkhronnykh dvigatelei metodom ikh vzaimnoi nagruzki [Device for testing induction motors by their mutual load]. Patent RF, no. 143348, 2014.
7. Avilov V.D., Kharlamov V.V., Popov D.I., Litvinov A.V. Skhema ispytanii asinkhronnykh dvigatelei metodom ikh vzaimnoi nagruzki [Scheme of testing of induction motors by their mutual load]. Patent RF, no. 145998, 2014.
8. Kharlamov V.V., Popov D.I. Stend dlya ispytaniya asinkhronnykh dvigatelei metodom vzaimnoi nagruzki [Stand for testing induction motors by method of mutual load]. Patent RF, no. 178716, 2018.
9. Kurbasov A.S., Targonskij I.L., Dolgosheev Eh.A. Ustroystvo dlya ispytaniy beskollektornyh ehlektricheskih mashin peremennogo toka [Facility testing AC brushless electric machines]. Patent RF, no. 2200960, 2001.
10. Avilov V.D., Volodin A.I., Dankovtsev V.T., Luk'yanchenko, Pan'kin Ye.V. Sposob ispytaniya asinkhronnykh ehlektrodvigatelei metodom ikh vzaimnoi nagruzki [Back-to-back test method for asynchronous motors]. Patent RF, no. 2433419, 2010.
11. Beierlein E.V., Tsukublin A.B., Rapoport O.L. Ustroystvo dlya ispytaniya asinhronnykh tyagovykh ehlektrodvigateley [Device for testing asynchronous traction motors]. Patent RF, no. 80018, 2008.
12. Popov D.I. Analiz energeticheskoi effektivnosti elektrotekhnicheskikh kompleksov ispytanii asinkhronnykh mashin [Analysis of energy efficiency of systems for testing induction machines]. Iz-vestiya Tul'skogo Gosudarstvennogo Universiteta. Ser. Tekhnicheskie nauki, 2018, no. 12, pp. 118-123.
13. Cummings P.G., Bowers W.D., Martiny W.J. Induction Motor Efficiency Test Methods. IEEE Transactions on Industry ApplicationsVolume IA-17, 1981, iss. 3, May/June, pp. 253-272.
14. Gonzalez-Cordoba J.L., Granados-Lieberman D., Osornio-Rios R.A., Romero-Troncoso R.J., De Santiago-Pérez J.J., Valtierra-Rodriguez M. Methodology for overheating identification on induction motors under voltage unbalance conditions in industrial processes. Journal of Scientific and Industrial Research, 2016, vol. 75, iss. 2, pp. 100-107.
15. Pillay P., Manyage M. Loss of life in induction machines operating with unbalanced supplies. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, vol. 21, iss. 4, pp. 813-822.
POPOV DENIS - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of Electrical Machines and General Electrical Engineering Department, Omsk State Transport University, Russia, Omsk (popovomsk@yandex.ru).
Формат цитирования: Попов Д.И. Определение необходимых параметров звена постоянного тока электротехнических комплексов для испытаний асинхронных машин // Вестник Чувашского университета. - 2019. - № 3. - С. 195-205.
