CC BY
7
УДК 621.313.333:621.372.632
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-458-462
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ВЫБОРА СХЕМЫ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ
Д.И. Попов
Статья содержит результаты исследований, посвященных разработке алгоритма выбора варианта схемы испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки. Приведен анализ существующих схем взаимной нагрузки асинхронных двигателей. Выделены типы схем по ряду структурных признаков. Отмечены основные преимущества и недостатки выделенных типов схем. Приведена блок-схема разработанного алгоритма.
Ключевые слова: алгоритм выбора, испытательный комплекс, схема испытаний, асинхронная машина, метод взаимной нагрузки, преобразователи частоты.
Современный электродвигатель является довольно сложным техническим устройством. При этом благодаря своей относительной простоте и надежности асинхронные двигатели являются основным источником механической энергии во многих сферах техники [1].
Одними из наиболее актуальных научных вопросов, касающихся всех технических устройств, являются проблемы, связанные с их эксплуатацией. В частности - с поддержанием и восстановлением работоспособности, что требует помимо ремонтных операций также осуществления процессов испытания и диагностирования.
Наиболее эффективными с энергетической точки зрения и перспектив внедрения на предприятиях являются испытательные комплексы, основанные на методе взаимной нагрузки [2-3].
Разработано множество схем, позволяющих испытывать асинхронные двигатели методом взаимной нагрузки, отличающихся составом оборудования и связями между элементами схем [4-19]. Особенности их применения и обоснованного выбора конкретного типа требуют тщательной проработки.
В самом общем виде силовая часть любой схемы взаимной нагрузки для испытания асинхронного двигателя имеет вид, приведенный на рис. 1.
Для простоты восприятия схема, приведенная на рис. 1, и последующие схемы представлены в однолинейном исполнении. На приведенных схемах трехфазные линии и линии с постоянным током отмечены соответствующим (три или два) количеством перечеркивающих их коротких штрихов. При отсутствии однозначности типа напряжения в линии данные штрихи не указаны.
Рис. 1. Обобщенная силовая часть схемы испытаний асинхронных двигателей методом взаимной
нагрузки
На данной схеме введены следующие обозначения: Пр - преобразователь, АД - асинхронный двигатель, НМ - нагрузочная машина, работающая в режиме генератора (рекуперации). В данном случае под преобразователем может пониматься как отдельное устройство, так и совокупность устройств, соединенных в общую схему, позволяющую осуществлять преобразование параметров переменного напряжения (частоту, действующее значение и др.). В общем случае преобразователи могут обмениваться энергией по трем различным путям: через подключение со стороны сети, через двойное электромеханическое преобразование и через электрическую шину, включенную в промежуточном звене (как правило, это звено постоянного тока, имеющееся у многозвенных преобразователей).
Приведенная схема (см. рис. 1) может быть обобщена на случай с несколькими параллельными ветвями, состоящими из преобразователя и нагрузочной машины: такие ветви можно объединить в одну эквивалентную.
Приведем классификацию известных типов схем испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки в соответствии со структурой входящих в их состав элементов. В зависимости от типа нагрузочной машины рассматриваемые схемы можно разделить на два типа:
- схемы с нагрузочной асинхронной машиной (НАМ);
- схемы с нагрузочным генератором постоянного тока (НГПТ).
Возможные варианты силовых частей схем испытаний АД методом взаимной нагрузки с применением НАМ приведены на рис. 2.
Рис. 2. Силовые части схем испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки
с применением НАМ
Схемы с НАМ также можно разделить на 2 типа по следующему признаку:
- одна из машин питается от источника напряжения, сформированного посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (см. рис. 2 а, б);
- обе машины питаются от источника напряжения, сформированного посредством ШИМ (см. рис. 2 в, г).
На представленных схемах введены следующие обозначения:
В - неуправляемый выпрямитель;
В-И - управляемый выпрямитель-инвертор.
В первом случае (см. рис. 2 а, б) различные схемы получаются, если источник напряжения, сформированного посредством ШИМ, питает либо испытуемый АД (см. рис. 2 а), либо НАМ (см. рис. 2 б) [4-7]. Во втором случае различие схем обусловлено наличием электрической шины, соединяющей звенья постоянного тока двух параллельных ветвей (см. рис. 2 в), либо отсутствием такой шины (см. рис. 2 г) [8-12]. В схеме, приведенной на рис. 2 в, два параллельно включенных неуправляемых выпрямителя могут быть заменены на один (с соответствующими параметрами) [10].
Тип схем, приведенный на рис. 2 б, не соответствует требованиям ГОСТ 2582-2013, т.к. питание испытуемого АД несинусоидальное и при этом структура схемы не позволяет установить частоту данного напряжения равной номинальному значению для источника питания тяговых АД.
Тип схем, приведенный на рис. 2 г, имеет большее число управляемых преобразователей по сравнению со схемой, приведенной на рис. 2 в, и, следовательно, имеет более сложную систему управления и себестоимость.
Таким образом, с практической точки зрения наиболее применимыми типами схем с НАМ являются схемы, приведенные на рис. 2 а, в. Причем первый тип схем (см. рис. 2 а) позволяет испытывать АД, предназначенные для питания синусоидальным напряжением, а второй тип (см. рис. 2 б) - напряжением, сформированным посредством ШИМ.
Силовые части схем испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки с применением НГПТ приведены на рис. 3 [13-19].
Рис. 3. Силовые части схем испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки с применением НГПТ
Представленные схемы с НГПТ можно разделить на 2 типа по следующему признаку:
- обмотка якоря (ОЯ) получает питание с выхода неуправляемого выпрямителя (см. рис. 3 а);
- ОЯ получает питание с выхода управляемого выпрямителя-инвертора (см. рис. 3 б).
Во втором случае (см. рис. 3 б) схема имеет большее число управляемых преобразователей по сравнению со схемой, приведенной на рис. 3 а, и, следовательно, имеет более сложную систему управления и себестоимость. С практической точки зрения лучшим из приведенных типов схем с НГПТ является первый вариант (см. рис. 3 а).
Приведенные схемы с НГПТ имеют ту же область применения, что и тип схем с НАМ, представленный на рис. 2 в, - испытание АД, питающихся от источника напряжения, формируемого посредством ШИМ.
Как показано в исследованиях [20] схемы с НГПТ (см. рис. 3 а) по сравнению со схемами с НАМ (см. рис. 2 в) имеют ряд преимуществ: меньшая генерация высших гармонических составляющих тока питающей сети, более простое определение момента на валу.
Недостатком схем с НГПТ является необходимость наличия на испытательном стенде постоянно установленной нагрузочной машины, что повышает его себестоимость и позволяет испытывать АД только по одному.
Рассмотренные типы схем взаимной нагрузки имеют ряд отличительных признаков, характеризующих их особенности эксплуатации. Наиболее существенные из них, сведены в табл. 1, на которой представлены только типы схем, рекомендуемые к практическому применению.
Таблица 1
Основные параметры различных типов схем испытаний асинхронных двигателей методом
___взаимной нагрузки___
Тип схемы Номер рисунка Тип НМ Тип питания испытуемого АД Наличие стационарной нагрузочной машины Испытание машин по две Генерация в сеть высших гармоник тока
1 2 а НАМ Синусоидальное напряжение Не обязательно Да Не оценивалась
2 2 в Напряжение, сформированное посредством ШИМ Относительно высокая
3 3 а НГПТ Обязательно Нет Относительно низкая
Исходя из изложенного предлагается следующий алгоритм выбора типа схемы испытаний АД методом взаимной нагрузки, представленный на рис. 4.
( Начало )
^ Конец )
Рис. 4. Алгоритм выбора схемы испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки
Алгоритм выбора типов схем, приведенных в табл. 1, реализуется следующим образом.
Входными данными для выполнения алгоритма являются параметры эксплуатации асинхронного двигателя, такие как форма напряжения (синусоидальное или сформированное посредством ШИМ, применяемое, например, у тяговых АД), ограничения по влиянию на питающую электрическую сеть (генерация высших гармоник потребляемого тока) и количество двигателей одновременно поступающих на испытания.
Если в эксплуатации АД получает питание от сети переменного тока с синусоидальным напряжением частотой 50 Гц, необходимо выбрать схему испытаний первого типа.
В ином случае (если не оговорены особые условия испытаний) необходимо использовать схемы 2 или 3 типа, в которых питание АД осуществляется напряжением, формируемым посредством ШИМ. В этом случае, если необходимо иметь минимальное негативное влияние испытательного стенда на питающую электрическую сеть (с точки зрения генерации высших гармоник сетевого тока), следует выбрать схемы третьего типа.
Если АД поступают на испытания по одному экземпляру, то подходят схемы третьего типа. Схемы второго типа также будут подходящими при оснащении их штатной НАМ. Если АД поступают на испытания парами или более подходят схемы, как третьего, так и второго типа (без дооснащения их штатной НАМ).
При возможности применения различных типов схем испытаний окончательный выбор типа схем должен основываться на требуемой степени автоматизации технологических процессов, а также на экономических показателях, связанных с внедрением нового оборудования.
Представленный алгоритм позволяет по достаточно простым параметрам осуществить выбор типа схемы испытаний АД методом взаимной нагрузки. В ряде случаев при осуществлении данного выбора потребуется выполнение технико-экономического обоснования.
Список литературы
1. Чернышев А.Ю., Дементьев Ю.Н., Чернышев И.А. Электропривод переменного тока. М.: Издательство Юрайт, 2022. 215 с.
2. Коварский Е.М., Янко Ю.И. Испытание электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1990.
320 с.
3. Попов Д.И. Научные основы создания энергоэффективных методов и средств испытаний электрических машин. Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения. 2019. 175 с.
4. Патент 143348 РФ. Устройство для испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов. Опубл. 20.07.2014. Бюл. № 20.
5. Патент 186188 РФ. Стенд для испытания асинхронных машин / Д.И. Попов. Опубл. 11.01.2019. Бюл. № 2.
6. Патент 2691778 РФ. Стенд для испытания асинхронных машин и способ их нагружения / Д.И. Попов. Опубл. 18.06.2019. Бюл. № 17.
7. Патент 80018 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / О.Л. Рапопорт, А.Б. Цукублин, Е.В. Бейерлейн. Опубл. 20.01.2009. Бюл. № 2.
8. Патент 2433419 РФ. Способ испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, А.И. Володин, В.Т. Тихонов, В.В. Лукьянченко, Е.В. Панькин. Опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31.
9. Патент 140678 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов. Опубл. 20.05.2014. Бюл. № 14.
10. Патент 145998 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, В. В. Харламов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов. Опубл. 27.09.2014. Бюл. № 27.
11. Патент 163996 РФ. Схема испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки / В.В. Харламов, Д.И. Попов, С.О. Руменко, А.И. Стретенцев. Опубл. 20.08.2016. Бюл. № 23.
12. Патент 197440 РФ. Схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки / В. В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 27.04.2020. Бюл. № 12.
13. Патент 2200960 РФ. Устройство для испытаний бесколлекторных электрических машин переменного тока / А.С. Курбасов, И.Л. Таргонский, Э.А. Долгошеев. Опубл. 20.03.2003. Бюл. № 8.
14. Патент 85674 РФ. Стенд для испытаний асинхронного тягового электродвигателя / Л.Г. Козлов, С.С. Осипов, В.П. Феоктистов, В.А. Коновалов. Опубл. 20.02.2009. Бюл. № 22.
15. Патент 99186 РФ. Стенд для испытаний асинхронного тягового электродвигателя / Л.Г. Козлов, С.С. Осипов, В.П. Феоктистов, В.А. Коновалов. Опубл. 10.11.2010. Бюл. № 31.
16. Патент 178716 РФ. Стенд для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки / В. В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 17.04.2018. Бюл. № 11.
17. Патент 192278 РФ. Стенд для испытания асинхронного двигателя / В. В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 11.09.2019. Бюл. № 26.
18. Патент 2712741 РФ. Способ нагружения асинхронного двигателя при его испытании методом взаимной нагрузки / В. В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 31.01.2020. Бюл. № 4.
19. Патент 195604 РФ. Стенд для автоматизированных испытаний асинхронного двигателя / В. В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 03.02.2020. Бюл. № 4.
20. Попов Д.И. Гармонический анализ состава тока, потребляемого комплексами испытаний электрических машин / Д.И. Попов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 3. С. 632-638.
Попов Денис Игоревич, канд. техн. наук, доцент, popovomsk@yandex.ru, Россия, Омск, Омский государственный университет путей сообщения
DEVELOPMENT OF AN ALGORITHM FOR SELECTING A TEST SCHEME FOR INDUCTION MOTORS
BY THE METHOD OF MUTUAL LOADING
D.I. Popov
The article contains the results of research devoted to the development of an algorithm for selecting a variant of the induction motor test scheme by the alternating load method. The analysis of the existing schemes of mutual loading of induction motors is given. The types of schemes are identified according to a number of structural features. The main advantages and disadvantages of the selected types of schemes are noted. A block diagram of the developed algorithm is given.
Key words: selection algorithm, test complex, test scheme, induction motor, mutual load method, frequency converters.
Popov Denis Igorevich, candidate of technical sciences, docent, popovomsk@yandex.ru, Russia, Omsk, Omsk State Transport University
УДК 51.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-462-468
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОСЛЕДЕЙСТВИЕМ: НОВЫЙ ПОДХОД
В.Я. Копп, М.В. Заморёнов, Н.И. Чаленков
В статье рассматривается актуальная проблема исследования сложных технических систем с последействием. Объектами рассматриваемого класса являются, в частности, механосборочное производство в целом и его подсистемы, в которых имеет место технологическое наследование, а также информационные и логистические системы. Предлагаемый в статье подход основан на применении полумарковских моделей с общим фазовым пространством и позволяет значительно упростить процесс моделирования, обеспечить высокую точность результатов.
Ключевые слова: техническая система, полумарковский процесс, аппроксимация.
Введение. Анализ структуры и процесса функционирования ряда сложных технических систем (СТС) показал, что при наличии в них последействия наиболее эффективным инструментом для их исследования являются полумарковские модели с общим фазовым пространством. Последействие в СТС широко распространено и может проявляться в виде отказов различного вида, среди основных причин которых, в частности, в механосборочном производстве, следует отметить технологическое наследование, в информационных системах - ошибки при хранении и передаче данных, в логистических системах - нарушения алгоритмов обработки объектов транспортирования и т.д. Исследование СТС с последействием является актуальной задачей и позволяет оценить влияние предшествующих этапов их жизненного цикла на последующие.
Моделирование полумарковских систем с общим фазовым пространством [1 - 6] является довольно сложной математической задачей. Для её упрощения в литературе [7 - 9] предложен алгоритм фазового укрупнения (АФУ), приводящий системы с общим фазовым пространством к системам с дискретными состояниями. Однако, использование данного алгоритма также представляет значительные трудности, поскольку требует определения стационарного распределения вложенной цепи Маркова, для чего необходимо решать интегральные уравнения, содержащие функции от суммы и разности переменных. Следует отметить, что рассматриваемая задача в общем виде на настоящий момент не решена, известные публикации содержат только частные решения для отдельных случаев, что является недостатком данного метода.
