CC BY
23
УДК 621.313.333
А.А. Марченко1, О.А. Онищенко2, С.Ю. Труднев1
'Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003;
2Одесская национальная морская академия, Украина, Одесса, 65029 e-mail: Marchencko29@mail.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОД НАГРУЗКОЙ
В данной статье рассматривается метод нагружения асинхронного электродвигателя без использования дополнительной нагрузки. В настоящее время получили распространение полупроводниковые преобразователи частоты, позволяющие изменять координаты электропривода в более широком диапазоне. Изменение частоты напряжения напрямую влияет на момент на валу машины и ток электродвигателя. Применяя эти свойства, можно получить средний ток и момент, эквивалентные номинальному току и моменту, что является необходимым при испытании машин после ремонта. Для проверки данной гипотезы авторами была разработана математическая модель асинхронного электродвигателя с возможностью изменения перечисленных параметров. Далее модель была перенесена в программу Simulink для осуществления быстрых расчетов. В рамках исследования решались две основные задачи. Во-первых, опытным путем были определены значения пониженной частоты напряжения. Во-вторых, для определения параметров преобразователя были выявлены значения напряжения, соответствующие номинальному току электродвигателя. Далее для выявления зависимости эксперимент проводился на нескольких электрических двигателях серии 4А различной мощности. Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о возможности получения номинального тока электродвигателя без участия механической нагрузки при циклическом переводе машины в кратковременный генераторный режим.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, мощность, режим противовключения, номинальный ток, преобразователь частоты, момент, коммутация, частота напряжения.
A.A. Marchencko1, O.A. Onischenko2, S.U. Trudnev1 (Kamchatka State Technical University, Petropav-lovsk-Kamchatsky, 683003; 2Odessa national maritime academy, Ukraine, Odessa, 65029) Characterization of voltage during tests of asynchronous electric motors under loading
Method of asynchronous electric motor loading without use of additional loading is given in the article. At present semiconductor frequency converters allowing to change electric drive characteristics in wider range gained distribution. Voltage frequency variation influences the moment on the machine shaft and electric motor current. Applying these properties it is possible to receive average current and the moment equivalent to rated current and the moment that is necessary at machine repair test. The mathematical model of asynchronous electric motor with possibility of change of the listed parameters was developed by the authors for given hypothesis test. Then the model was transferred to Simulink program for implementation of fast calculations. Two main problems were solved during research. First, values of voltage under frequency were estimated experimentally. Secondly, for estimation of converter's parameters we revealed voltage values corresponding to rated current of the electric motor. Then for detection of dependence experiment was made on several electric motors of type 4A of various capacities. The results of carried out experiments testify to possibility of receiving rated current of the electric motor without mechanical loading at cyclic transfer of the machine to the short-time generating mode.
Key words: asynchronous engine, power, opposition circuit mode, rated current, frequency converter, moment, switching, voltage frequency.
Поломки современного асинхронного электропривода чаще всего напрямую связаны с выходом из строя самого асинхронного электродвигателя.
Частое изменение параметров машины вследствие изменения характеристик сети (несинусоидальные формы напряжения и тока), а также вследствие скачкообразного изменения нагрузок является наиболее частой причиной неисправности машины. Кроме того, причиной могут быть износ отдельных частей и ошибки технологии производства электрической машины.
По статистике на флоте рыбной промышленности Дальнего Востока около 32% асинхронных электродвигателей подвергаются ремонту на судоремонтных предприятиях Владивостока, Петропавловска-Камчатского.
Как следствие судовладелец терпит убытки. Затраты на ремонт оборудования существенны (например, перемотка асинхронного двигателя мощностью 5-75 кВт в зависимости от модификации и исполнения обходится от 20 до 40 у.е./кВт), но проведение ремонта во время рейса связано с простоем оборудования, что в условиях промысла недопустимо. Кроме того, на большинстве судов не предусматривается оборудование для ремонта электродвигателей и отсутствует соответствующий персонал.
Своевременное определение неисправности электродвигателя может существенно уменьшить риск выхода всего электропривода и простоя судна в целом.
Наиболее перспективно проверять электрические машины под номинальным током, что соответствует работе машины под нагрузкой в составе электропривода [1]. Во-первых, это позволит определять техническое состояние машины отдельно от исполнительного механизма электропривода, что предотвратит поломку всей системы в случае неисправности электродвигателя. Во-вторых, проверка может проводиться на судоремонтном предприятии, где непосредственно осуществляется ремонт электродвигателей.
Для мониторинга технического состояния важно нагрузить машину, что соответствует получению номинального среднего тока и момента на валу.
Для получения процесса нагружения машины важно получить максимальный момент на валу, независимо от его знака при ограниченном изменении скорости в силу законов механической прочности. Это становится возможным при максимально быстром разгоне или торможении электродвигателя [2].
Известны способы регулирования частоты электродвигателей переменного тока. Самым перспективным является способ изменения частоты питающего напряжения. Для разгона наиболее подходящим является прямой пуск электродвигателя.
Напряжение сети при частотном регулировании с учетом закона Костенко для электропривода в современных преобразователях частоты может варьироваться в некоторых пределах. С учетом этого проведение испытаний электродвигателей под номинальным током требует как можно более точного нахождения оптимального значения частот и напряжений. Ясно, что процессы, проходящие внутри системы при данном виде нагружения, отличаются от процессов в электроприводе. Можно утверждать, что с изменением напряжения в широких пределах возможно получение режима, более схожего с нагрузочным по значениям токов и моментов электродвигателя. Применение данного подхода к проектированию преобразователя частоты обуславливает использование специального преобразователя частоты с определенными параметрами напряжения для определенного типа электродвигателя. С другой стороны, автоматизация процесса испытаний является необходимой в условиях существующей проблемы технического состояния флота и его постоянного ухудшения.
Кроме того, выявление оптимального режима нагружения позволит избежать аварийного режима, так как в тепловом соотношении при слишком больших токах данный режим является опасным и приведет к постепенному выгоранию статорных обмоток. Применение взаимной нагрузки исключает аварийный режим, так как двигатель работает при своих номинальных характеристиках. При существенном несовпадении номинальных данных с полученными в ходе испытаний делается вывод о неисправностях данного электродвигателя. В режиме испытаний с применением искусственного нагружения в условиях переключения с периодичностью в доли секунды визуальное определение неблагоприятного режима может быть проблематичным. Несовпадение номинальных данных и полученных в ходе испытаний с искусственной нагрузкой может свидетельствовать как о неисправности самого двигателя, так и введении электродвигателя в аварийный режим [3].
В настоящее время эта область является неисследованной. Первой задачей исследования являлось определение оптимального значения пониженной частоты напряжения. Для этого проводились эксперименты на всем диапазоне частот с пошаговым уменьшением напряжения для каждой частоты для разработанной модели [4] в программе 8тиНпк (рис. 1).
Рис. 1. Модель в Simulink
Результаты представлены в табл. 1. В первой строке записано отношение U/Uo. где UH - номинальное напряжение, U0 - уменьшенное в ходе эксперимента напряжение. Во второй строке указано значение напряжения в вольтах. В третьей строке указан средний ток для каждого значения напряжения. В первом столбце соотношение U/U0 соответствует соотношению U/f - const. Далее в рамках эксперимента увеличивалось соотношение U/U0, соответственно уменьшалось рабочее напряжение для заданной частоты сети.
В табл. 1 представлены результаты по нахождению среднего тока электродвигателя только для наиболее близких значений для данной частоты сети.
Таблица 1
Значения среднего тока при различных частотах напряжения электродвигателя 4А80А4
Для частоты 38 Гц
U/Uo 1,3 1,4 1,5 1,6 1,8
U. В 292 271 253 237 211
Лср. А 2,91 2,97 3,31 3,45 3,65
Для частоты 34 Гц
U/Uo 1,5 1,6 1,7 1,8 2
U. В 253 237 224 211 19o
Лср. А 3,22 3,28 3,34 3,46 3,52
Для частоты 32 Гц
U/Uo 1,6 1,7 1,8 1,9 2
U. В 237 224 211 2oo 19o
Лср. А 3,44 3,52 3,58 3,63 3,71
Для частоты 30 Гц
U/Uo 1,7 1,8 1,9 2 2,1
U. В 224 211 2oo 19o 181
^ср, А 4,52 4,58 4,62 4,66 4,71
Для частоты 28 Гц
U/Uo 1,8 1,9 2 2,1 2,2
U. В 211 2oo 19o 181 173
^ср. А 3,5 3,6 3,7 3,8 4,o2
Для частоты 26 Гц
U/Uo 1,9 2 2,1 2,2 2,3
U. В 2oo 19o 181 173 165
Лср, А 1,98 2,18 2,24 2,38 2,55
Для частоты 24 Гц
U/Uo 2 2,1 2,2 2,3 2,4
U. В 19o 181 172 165 158
^ср. А 2,32 2,42 2,64 2,71 2,78
Для частоты 22 Гц
U/U0 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7
U, В 165 158 152 146 141
Лср, А 2,0 2,28 2,36 2,43 2,57
Для частоты 20 Гц
U/U0 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9
U, В 152 146 141 136 131
^ср, А 1,81 1,84 1,89 1.94 1,97
На основании данных таблицы был составлен график, по оси абсцисс которого отложено значение напряжения, по оси ординат - среднее значение тока (рис. 2). Согласно моделированию, оптимальным будет значение тока, близкое к 2,7 А. На графике в рамках допущения 10% выделены границы искомого среднего значения тока при испытаниях методом искусственного нагружения.
I, А
Рис. 2. Зависимость среднего тока электродвигателя серии 4А80А4 от напряжения различных частот
Из результатов проведения эксперимента можно сделать выводы. С уменьшением напряжения средний ток двигателя возрастает, поэтому все графики частот, находящиеся выше границы допустимых значений тока, являются неприемлемыми для дальнейшего изучения.
Как видно из графика, требуемое значение тока может быть получено циклическим переключением с 50 Гц до 38 Гц при U/f — const, то есть при напряжении 270 В. Также в диапазон номинального тока попадает нагружение с понижением частоты до 26 Гц при значениях напряжения ниже 165 В, до 24 Гц при напряжении ниже 170 В, до 22 Гц при напряжении ниже 150 В.
Результаты выполнения первой задачи совпадают с результатами, представленными в [5].
Следующей задачей являлось более детальное определение значения напряжения для некоторых видов электродвигателей.
Далее в рамках определения оптимального напряжения более детально рассматривался диапазон от 22 до 26 Гц. Результаты проведения эксперимента представлены в табл. 2.
Таблица 2
Уточненные значения среднего тока при различных частотах напряжения электродвигателя 4А80А4
Для частоты 22 Гц
U/U0 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3
U, В 141 136 131 127 123 119 115
Лср, А 2,57 2,61 2,65 2,7 2,76 2,82 2,88
Для частоты 23 Гц
U/U0 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3
U, В 141 136 131 127 123 119 115
^ср, А 2,62 2,67 2,71 2,77 2,78 2,85 2,90
Для частоты 24 Гц
U/U0 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
U, В 172 165 158 145 123 119 115
^ср, А 2,64 2,71 2,78 2,82 2,84 2,87 2,93
Для частоты 25 Гц
Ц/Ц) 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
Ц, В 172 165 158 152 146 141 139
Лср, А 2,65 2,7 2,77 2,84 2,92 2,97 3,2
Для частоты 26 Гц
Ц/Ц) 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9
и, В 165 158 152 146 141 139 131
^ср, А 2,55 2,60 2,68 2,72 2,77 2,82 2,9
По полученным данным построен график зависимости среднего тока статора от напряжения
преобразователя (рис. 3).
Рис. 3. Уточненная зависимость среднего тока электродвигателя серии 4А80А4 от напряжения различных частот
Из рис. 3 видно, что на всем диапазоне частот от 22-26 Гц средний ток равен номинальному для данного электродвигателя при напряжении ниже 170 В.
Для уточнения полученных данных подобные эксперименты проводились при помощи моделей электродвигателей 4А13284 мощностью 7,5 кВт и 4А132М4 мощностью 11 кВт. В табл. 3 и 4 приведены уточненные данные для этих электродвигателей.
Таблица 3
Значения среднего тока при различных частотах напряжения электродвигателя 4А132S4
Для частоты 24 Гц
Ц/Ц) 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
и, В 172 165 158 152 123 119 115
Лср, А 12,87 13,12 13,67 14,17 14,34 14,92 15,1
Для частоты 25 Гц
Ц/Ц) 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
Ц, В 172 165 158 152 146 141 139
Лср, А 13,77 13,90 14,24 14, 48 14,87 14,97 15,22
Для частоты 26 Гц
Ц/Ц) 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9
Ц, В 165 158 152 146 141 139 131
^ср, А 14,27 14,42 14,73 15,10 15,32 15,68 16,1
При сравнении результатов для 4А13284 (рис. 4) и 4А80А4 видно, что средний номинальный ток получен при сбросе до тех же значений частот напряжения в пределах 24-26 Гц. В диапазон номинального тока попадает нагружение с понижением частоты до 26 Гц при значениях напряжения ниже 160 В, до 24 Гц при напряжении ниже 150 В, до 22 Гц при напряжении ниже 100 В.
Рис. 4. Зависимость среднего тока электродвигателя серии 4А132Б4 от напряжения различных частот
Результаты экспериментов для электродвигателя 4А132М4 приведены в табл. 4 и на рис. 5.
Таблица 4
Значения среднего тока при различных частотах напряжения электродвигателя 4А132М4
Для частоты 24 Гц
и/и0 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
и, В 172 165 158 152 123 119 115
Лср, А 19,01 19,49 19,80 20,31 20,72 21,12 21,58
Для частоты 25 Гц
и/и0 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
и, В 172 165 158 152 146 141 139
Лср, А 19,35 19,78 20,07 20,22 20,80 21,14 21,32
Для частоты 26 Гц
и/и0 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9
и, В 165 158 152 146 141 139 131
^со, А 20,06 20,33 20,64 21,19 21,52 21,87 22,15
22.5 22 21.5.
21 20.5 20 19.5
Рис. 5. Зависимость среднего тока электродвигателя серии 4А132М4 от напряжения различных частот
При сравнении полученных зависимостей тока электродвигателя от напряжения можно сделать вывод. что для получения номинального тока электродвигателя данный способ может быть приемлемым. При проведении экспериментов на ряде электродвигателей серии 4А мощностями от 1.1 до 11 кВт видно. что оптимальное значение среднего тока. сравнимое с номинальным значением. попадает в пределы от 22 до 24 Гц при пониженном значении напряжения около 160 В. Полученное значение следует использовать при выборе или проектировании преобразователя для проведении испытаний электродвигателя под нагрузкой.
В ходе исследования были выполнены все поставленные задачи. Во-первых. опытным путем были определены значения пониженной частоты напряжения. Во-вторых. для определения параметров преобразователя были выявлены значения напряжения. соответствующие номинальному току электродвигателя.
После проведения эксперимента на нескольких электрических двигателях серии 4А различной мощности можно сделать вывод о схожести параметров частоты и напряжения для получения номинального среднего тока. Это объясняется зависимостью тока двигателя от электромагнитного момента. Из этого следует. что при проектировании системы испытаний можно использовать средние промежуточные данные для целого ряда асинхронных электродвигателей.
Литература
1. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. 4-е изд. - Л.: Энергоатом-издат. 1984. - С. 351-354.
2. ВольдекА.И. Электрические машины: учеб. для высш. техн. заведений. 3-е изд. - Л.: Энергия. 1978. - С. 510-514.
3. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Моделирование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя // Современные проблемы науки и образования. - Пенза. 2012. -№ 6. - С. 125.
4. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MAT-LAB 6.0: учеб. пособие. - СПб.: КОРОНА принт. 2001. - C. 233-239.
5. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Исследование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя // Фундаментальные исследования. - 2o13. - № 1-2. - С. 4o8-412.
УДК 628.3(571.66-25)
В.В. Потапов1' 2, А.Е. Бровкин1, Л.М. Хорошман2
'Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683012; 2Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: Nigtc@kgsnet.ru
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД НА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ МУП «ПЕТРОПАВЛОВСКИЙ ВОДОКАНАЛ» ПРИ ПРИМЕНЕНИИ КОАГУЛЯНТОВ И ФЛОКУЛЯНТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
В статье рассматриваются основные проблемы очистки природных вод с применением коагуляции. Приведены результаты экспериментов по применению коагулянтов нового поколения для очистки воды на очистных сооружениях МУП «Петропавловский водоканал». Уделено внимание проблемам очистки природных вод на территории Российской Федерации.
Ключевые слова: коагулянт, флокулянт, цветность воды, мутность воды, эффективность очистки.
V.V. Potapov1' 2, A.E. Brovkin2, L.M. Khoroshman2 (^Scientific research geotechnological centre Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, 683012, Petropavlovsk-Kamchatsky; 2Kamchatka State Technical Uni-
