CC BY
110
СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.314.26/.572.001.4:629.5.03-83
Н. Г. Романенко, С. В. Головко, К. Н. Сатенов, М. П. Жуманазаров
ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ СУДОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Предложена установка для исследования работы преобразователя частоты при разных нагрузках в качестве источника питания электрооборудования. В ходе исследований были собраны две экспериментальные схемы - с одним и двумя асинхронными двигателями, подключенными в качестве нагрузки к преобразователю частоты. Сравнительный анализ работы двух схем показал: при векторном управлении с увеличением нагрузки происходит уменьшение напряжения на выходе преобразователя частоты; при скалярном управлении, при аналогичных условиях, выходное напряжение не изменилось. Кроме того, согласно данным осциллограмм, серия импульсов изменяющейся полярности характеризуется отсутствием сглаженности и прямоугольной формой импульса. Однако такая форма выходного напряжения преобразователя частоты не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к источнику питания. Экспериментально, путем отключения одной из фаз одного из асинхронных двигателей, установлено, что в режиме векторного управления на дисплее преобразователя частоты индицировалась причина прекращения работы преобразователя частоты в виде короткого замыкания, а при скалярном управлении - в виде перегрузки. По результатам анализа эксплуатации преобразователя частоты в качестве источника питания предложено применять его в режиме скалярного управления.
Ключевые слова: судовое электрооборудование, источник питания, преобразователь частоты, несимметричная нагрузка, векторное управление, скалярное управление.
Введение
Анализ работы преобразователя частоты (ПЧ) в качестве источника питания судового оборудования показал, что параметры напряжения, выдаваемые им, не соответствуют требованиям, предъявляемым к необходимому режиму его работы. Выходное напряжение резко изменяется при варьировании нагрузки при векторном управлении; форму периодической кривой нельзя было назвать синусоидальной [1]. Кроме того, был определен еще один существенный недостаток: при несимметричной нагрузке ПЧ прекращал свою работу. Это означает, что если на судне возникнет ситуация, при которой будет происходить неравномерное распределение нагрузки, то подача питания прекратится и электрооборудование перестанет функционировать.
Основные требования к источникам питания судового электрооборудования
Предложено использование ПЧ в качестве источника питания судового электрооборудования. Как известно, к питающему напряжению судовых потребителей предъявляются определенные требования, наиболее важными из которых являются точность поддержания величины напряжения и частоты напряжения в статических и динамических режимах, а также требования к синусоидальности напряжения - коэффициент нелинейных искажений. Допустимое отклонение формы питающего напряжения от синусоиды определено в ГОСТ 13109-1997 [2]. Значения допустимых отклонений параметров сети представлены в табл. 1.
Таблица 1
Значения допустимых отклонений параметров сети
Допустимое отклонение напряжения от номинальных значений, % Допустимое отклонение частоты сети от номинальных значений, % Форма питающего напряжения, %
Длительное Кратковременное, 1,5 с Длительное Кратковременное, 1,5с Кни
+6...-10 +20.-20 +5.-5 +10.-10 8,6
Применение ПЧ дает возможность регулировать величину и частоту напряжения питания, подаваемого на судовое электрооборудование [3]. На судах, в соответствии с проектом, устанавливают дизель-генераторные агрегаты с параметрами напряжения, соответствующими параметрам потребителей. Необходимость применения ПЧ как источника питания возникает при наладке судового оборудования с неработающей судовой электростанцией или использовании единичных потребителей с нестандартными параметрами напряжения питания [4]. Аналогичная задача может возникнуть применительно и к береговому электрооборудованию.
Установка дизель-генератора с параметрами напряжения, отвечающими необходимым требованиям, возможна, однако по сложности установки, монтажа и большим габаритным размерам дизель-генератора этот вариант существенно проигрывает ПЧ, который достаточно компактен, а его настройки всегда можно изменить и использовать для другого электрооборудования с иными параметрами [4]. Однако ПЧ имеет недостаток при использовании в качестве источника питания: он обеспечивает эффективные режимы работы асинхронного двигателя и не поддерживает неизменными параметры выходного напряжения.
Разработка экспериментальной установки
В зависимости от степени и полноты учета этих факторов ПЧ общепромышленного применения подразделяются:
- на преобразователи с системой скалярного управления;
- преобразователи с системой векторного управления;
- преобразователи, включающие в себя системы скалярного и векторного управления [5].
Недостаток при работе ПЧ в качестве источника питания был выявлен в ходе исследований на кафедре «Электрооборудование и автоматика судов» Астраханского государственного технического университета. К ПЧ было подключено электрооборудование, при помощи которого исследовалась работа ПЧ при разных нагрузках (рис. 1).
Рис. 1. Экспериментальная установка по работе преобразователя частоты при разных нагрузках: 1 - осциллограф марки FLUKE 100-104; 2 - преобразователь частоты Altivar 71; 3 - асинхронный двигатель; 4 - автоматический выключатель
В ходе исследований были собраны две экспериментальные схемы. В первой из них в качестве нагрузки к ПЧ Altivar 71 фирмы Schneider Electric [6] был подключен один асинхронный двигатель
АИР63В4У3, а в другой уже два таких двигателя (рис. 2, 3). При этом в процессе работы одного двигателя ПЧ был загружен на 33 %, а при работе двух асинхронных двигателей - на 55 %. При попытке изменить нагрузку с помощью механического воздействия на вал двигателя параметры не изменялись.
- Р N
Рис. 2. Схема работы асинхронного двигателя при подключении к преобразователю частоты: М - асинхронный двигатель ; р - фаза напряжения питания; N - нейтраль; QF1, QF2 - автоматический выключатель
N
Рис. 3. Схема работы двух асинхронных двигателей при подключении к преобразователю частоты:
QF3 - автоматический выключатель
В результате сравнительного анализа работы двух схем при векторном управлении было выявлено, что при увеличении нагрузки происходит уменьшение напряжения на выходе ПЧ [5]. Как видно из осциллограмм на рис. 4 и 5, амплитудные значения напряжений изменились аналогичным образом.
Рис. 4. Осциллограммы выходного напряжения преобразователя частоты при работе одного асинхронного двигателя
Рис. 5. Осциллограммы выходного напряжения преобразователя частоты при работе двух асинхронных двигателей
В табл. 2 представлены значения параметров схем при векторном управлении.
Значение параметров на выходных клеммах преобразователя частоты при изменении нагрузки при векторном управлении
Таблица 2
Напряжение сети Uc, В Частота сети f, Гц Напряжение при одном рабочем двигателе и^, В Напряжение при 2-х рабочих двигателях, U2, В Ток нагрузки Irn, а Ток нагрузки 1н2, А Амплитудное значение напряжения Uml, b Амплитудное значение напряжения Um2, b
228 50 216 210 1,5 2,8 250 247
При изменении настроек работы ПЧ на скалярное управление и при аналогичных условиях выходное напряжение не изменилось. В табл. 3 представлены значения параметров схем при скалярном управлении.
Таблица 3
Значение параметров на выходных клеммах преобразователя частоты при изменении нагрузки при скалярном управлении
Напряжение сети ис, В Частота сети /, Гц Напряжение при одном рабочем двигателе и, в Напряжение при 2-х рабочих двигателях, и2, В Ток нагрузки 1н1, А Ток нагрузки 1н2, А Амплитудное значение напряжения ит\, В Амплитудное значение напряжения ит2, в
234 50 229 229 1,8 3,5 263 262
Еще одним условием эффективного функционирования ПЧ в качестве источника питания судового электрооборудования является синусоидальность выходного напряжения. Как видно из осциллограмм, представленных на рис. 4 и 5, в процессе работы электроприводов серия импульсов изменяющейся полярности характеризуется отсутствием сглаженности и прямоугольной формой импульса. Было принято решение использовать синусный фильтр, состоящий из индуктивного и емкостного элементов (ЬС-фильтр). Подключенный на выходе ПЧ, он превращает грубую форму напряжения в вид, максимально близкий к синусоидальному [7].
На судах при подключении нагрузки к источнику питания стремятся к тому, чтобы она распределилась равномерно по фазам. Однако возможны режимы работы электрооборудования, при которых распределение нагрузки по фазам источника питания становится неравномерным. Опытным путем было решено воспроизвести данную ситуацию. Для этого от источника питания отключили одну из фаз второго асинхронного двигателя, в результате чего нагрузка стала несимметричной (рис. 6).
Рис. 6. Схема работы двух асинхронных двигателей при обрыве фазы у второго двигателя и подключении к преобразователю частоты
В результате работа экспериментальной установки была краткосрочной, ПЧ отключил от питания асинхронный двигатель. При векторном управлении на дисплее индицировался аварийный режим в виде короткого замыкания фаз асинхронного двигателя. При скалярном управлении на дисплее индицировался аварийный режим в виде перегрузки. Осциллограммы работы ПЧ при векторном управлении представлены на рис. 7.
Рис. 7. Осциллограмма работы преобразователя частоты при несимметричной нагрузке
Неравномерное распределение нагрузки является одной из самых главных проблем при работе ПЧ в данных условиях, и на практике такие ситуации нередки.
Заключение
Таким образом, регулирование ПЧ процессов, происходящих в асинхронном двигателе при векторном управлении, обеспечивает их оптимизацию. Однако в случае применения ПЧ в качестве источника синусоидального напряжения оптимизация является негативным фактором, т. к. необходимо поддерживать стабильный уровень напряжения. При переводе ПЧ на работу в режиме скалярного управления величина выходного напряжения остается постоянной и при изменении нагрузки, поэтому при использовании ПЧ в качестве источника питания следует применить скалярное управление.
Кроме того, применение ЬС-фильтра при выходном напряжении, форма которого отличается от синусоидальной, позволяет избежать повреждения элементов электрооборудования, и, как следствие, преждевременного выхода электроустановок из строя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Казачковский Н. Н. Программирование преобразователя частоты ЛЬТ1УЛЯ 71 / Н. Н Казачков-ский, Д. В. Якупов. Днепропетровск: НГУ, 2007. 95 с.
2. Российский морской регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. СПб., 2015. 740 с.
3. Шавелкин А. А. Использование автономного инвертора тока в режиме источника синусоидального напряжения / А. А. Шавелкин, В. В. Писанюк, Д. Н. Мирошник // В1сн. Нац. техн. ун-ту «Харгавський полггехшчний шститут». 2012. № 28. С. 138-143.
4. Клевцов А. В. Преобразователи частоты для электропривода переменного тока: практ. пособие для инженеров / А. В. Клевцов. М.: ДМК-Пресс, 2010. 224 с.
5. Усольцев А. А. Векторное управление асинхронными двигателями / А. А. Усольцев. СПб.: СПбГИТМО, 2002. 43 с.
6. Преобразователи частоты. Основные сведения. Классификация. Выбор // ИЯЬ: Ьйр:// www.privodi.ru.
7. Мещеряков В. Н. Инверторы и преобразователи частоты для систем электропривода переменного тока / В. Н. Мещеряков. Липецк: ЛГТУ, 2014. 89 с.
Статья поступила в редакцию 30.12.2015
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Романенко Николай Геннадьевич — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент; зав. кафедрой «Электрооборудование и автоматика судов»; nikolayrom@yandex.ru.
Головко Сергей Владимирович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; g_s_v_2007@mail.ru.
Сатенов Канат Нагимович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; satenovkanat@mail.ru.
Жуманазаров Максим Пулатович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; maxim.zhumanazarov@mail.ru.
N. G. Romanenko, S. V. Golovko, K. N. Satenov, M. P. Zhumanazarov
USE OF THE FREQUENCY CONVERTER AS A POWER SUPPLY OF MARINE ELECTRIC EQUIPMENT
Abstract. The paper presents the installation to study the frequency converter at different loads as a source of electrical power. The supply voltage of shipboard consumers should meet certain requirements, the most important of which are to maintain the accuracy of the voltage and frequency of the voltage in static and dynamic modes, as well as the requirements for the sinusoidal voltage - the harmonic distortion factor. During the research there were collected two experimental schemes - with one and two asynchronous engines connected as a load to the frequency converter. The comparative analysis of the two schemes showed that with vector control with increasing load the output voltage of the frequency converter is reduced; with u/f control and under similar conditions, the output voltage is not changed. In addition, from the obtained waveforms it was found that a series of pulses of varying polarity is characterized with a lack of smoothness and the rectangular waveform. This form of the output voltage of the frequency converter, however, does not satisfy the requirements, set to the power supply. Experimentally, by turning off one of the phases of one of the asynchronous motors, it is found that in vector mode the display of the frequency converter indicated the cause of termination of the frequency converter operation as a short circuit and with u/f control - in the form of overload. According to the analysis of exploitation of the frequency converter it is proposed to use it as a power supply in u/f control mode.
Key words: marine electric equipment, power supply, frequency converter, asymmetrical loading, vector control, u/f control.
REFERENCES
1. Kazachkovskii N. N., Iakupov D. V. Programmirovanie preobrazovatelia chastoty ALTIVAR 71 [Programing of the frequency converter ALTIVAR 71]. Dnepropetrovsk, Izd-vo NGU, 2007. 95 p.
2. Rossiiskii morskoi registr sudokhodstva. Pravila klassifikatsii i postroiki morskikh sudov [Russian Marine Navigation Register. Rules of classification and designing marine vessels]. Saint-Petersburg, RMRS, 2015. 740 p.
3. Shavelkin A. A., Pisaniuk V. V., Miroshnik D. N. Ispol'zovanie avtonomnogo invertora toka v rezhime is-tochnika sinusoidal'nogo napriazheniia [Use of autonomous current inverter in the mode of sinusoidal voltage source]. Visnik Natsional'nogo tekhnichnogo universitetu «Kharkivs'kiipolitekhnichnii institut», 2012, no. 28, pp. 138-143.
4. Klevtsov A. V. Preobrazovateli chastoty dlia elektroprivoda peremennogo toka: prakticheskoe posobie dlia inzhenerov [Frequency converters for power drive of the alternating current: practical manual for engineers]. Moscow, DMK-Press, 2010. 224 p.
5. Usol'tsev A. A. Vektornoe upravlenie asinkhronnymi dvigateliami [Vector control of asynchronous motor]. Saint-Petersburg, Izd-vo SPbGITMO, 2002. 43 p.
6. Preobrazovateli chastoty. Osnovnye svedeniia. Klassifikatsiia. Vybor [Frequency converters. Basic data. Classification. Sampling]. Available at: http://www.privodi.ru.
7. Meshcheriakov V. N. Invertory i preobrazovateli chastoty dlia sistem elektroprivoda peremennogo toka [Frequency inverters and converters for the systems of power drive of the alternating current]. Lipetsk, Izd-vo LGTU, 2014. 89 p.
The article submitted to the editors 30.12.2015
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Romanenko Nickolay Gennadievich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of Department "Electrical Equipment and Marine Automation"; nikolayrom@yandex.ru.
Golovko Sergey Vladimirovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of "Electrical Equipment and Marine Automation"; g_s_v_2007@mail.ru.
Satenov Kanat Nagimovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Course Student of the Department "Electrical Equipment and Marine Automation"; satenovkanat@mail.ru.
Zhumanazarov Maxim Pulatovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Electrical Equipment and Marine Automation"; maxim.zhumanazarov@mail.ru.
