CC BY
10
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.313.33; 621.314
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-265-271
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН
ПС. Соколов, Д.И. Попов
Показана актуальность развития инфраструктуры для технического обслуживая и ремонта асинхронных двигателей. Выполнен анализ отказов оборудования, тягового подвижного состава за 2021 года на примере пассажирского электровоза ЭП20 «Олимп» и грузового тепловоза 2ТЭ25А «Витязь». Отмечены преимущества рассматриваемой схема испытаний двигателей методом взаимной нагрузки. Предложен алгоритм расчета параметров элементов электротехнического комплекса для проведения испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, испытания, электротехнический комплекс, взаимная нагрузка
Актуальность исследований, связанных с испытаниями асинхронных двигателей, определяется проблемами, которые необходимо решать в процессе их эксплуатации на различных этапах жизненного цикла. Одной из таких проблем является относительно большое количество отказов асинхронных двигателей, работающих в составе более сложных систем. В наиболее сложных условиях эксплуатации находятся электродвигатели подвижного состава, для которых одними из наиболее важных являются вопросы ремонта и послеремонтных (приемосдаточных) испытаний.
Согласно Стратегии развития холдинга «РЖД» на период до 2030 года и Транспортной стратегии Российской Федерации до 2030 года с прогнозом на период до 2035 года предполагается увеличение применения тягового подвижного состава, имеющего в своей основе асинхронные тяговые двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором. Так существуют государственные программы, направленные на повышение энергетической эффективности различных отраслей промышленности [1]. Для подтверждения актуальности вопроса испытаний асинхронных тяговых двигателей рассмотрены некоторые особенности эксплуатации пассажирского электровоза ЭП20 «Олимп» и грузового тепловоза 2ТЭ25А «Витязь» (за 11 месяцев 2021 года ОАО «РЖД»), в том числе данные по их отказам.
По состоянию на 01.12.2021 в приписном парке находилось 77 ед. электровозов серии ЭП20 и 55 грузовых магистральных тепловозов 2ТЭ25А.
На рис. 1 приведено распределение процентного количества отказов каждой группы оборудования всего парка тепловозов 2ТЭ25А за первые 11 месяцев 2021 года.
Аналогичное распределение процентного количества отказов каждой группы оборудования парка пассажирских электровозов двойного питания ЭП20 за первые 11 месяцев 2021 года приведены на рис. 2.
механическое оборудования и экипажная часть; 7%
Оборудование .кабшы машиниста;
Вспо ногат к ль нос оборудование;
ПпСвгйтичССКОС и
тормозное обо рудо «а кие; 4ОД
Системы упра*ленияг автоматики, сети приборы
безопасности; 9<у,
Дизел ь; 31 "/а
Эл е ктртеское оборудование, аппараты и схемы; 16%
Основные И
а с по мо га тел ьные 9лектршеские нашшы; 2АП/и
Рис. 1 Распределение отказов каждой группы оборудования тепловозов 2ТЭ25А за 11 месяцев 2021 года
Кабина управления и санитарный модуль,
1%
Высокое ол ьтные цепи; 1%
Вспомогательные машины; 7%
Пневматическое и
тормозное оборудование; 25%
Тяговые трансформаторы; 3%
Тяговые
электродвигатели; 3% Механическое
оборудовакие; 19%
Устройства безопасности;
Система управлений-/ и диагностики; 12%
Преобразователи; 4%
Электрическое оборудование; 15%
и Низковольтные цепи, датчики; 6%
Рис. 2 Распределение отказов каждой группы оборудования пассажирских электровозов двойного питания ЭП20 за 11 месяцев 2021 года
Из представленных данных можно сделать вывод, что для асинхронных тяговых двигателей актуален вопрос технического обслуживания и ремонта [2,3]. Ввиду того, что внедрение двигателей данного типа началось сравнительно недавно, возникают проблемы, связанные с созданием инфраструктуры для осуществления их технического обслуживания и ремонта.
С учетом того, что испытание на нагревание следует проводить при номинальном напряжении и номинальной отдаваемой мощности или номинальном токе. Для уменьшения энергетических затрат разрабатываются новые и совершенствуются уже имеющиеся методы проведения испытаний электрических машин. Одним из таких методов является метод взаимной нагрузки, который позволяет уменьшить потребление электрической энергии из сети за счет того, что одна из машин работает в генераторном режиме и частично компенсирует энергию, потребляемую из сети второй машиной.
При создании новых комплексов для испытания двигателей необходимо правильно рассчитать параметры элементов, а также произвести анализ возможности подключения к уже имеющейся электрической сети [10].
Основным фактором возможности установки электротехнического комплекса (ЭТК) является наличие достаточной мощности питающей сети. Для этого необходимо проверить достаточна ли мощность силового трансформатора [4], питающего ЭТК, или необходима установка дополнительного трансформатора требуемой мощности.
Рассмотрим вариант схемы испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки с использованием двух преобразователей частоты с обменом энергией через звено постоянного тока (Рис. 3.) [7].
Схема, приведенная на рис. 3, состоит из двух однотипных преобразователей частоты 1 и 2, получающих питание от трехфазной сети, двух однотипных испытуемых асинхронных двигателей АМ1 и АМ2, механически связанных между собой посредством муфты 3 и получающих питание от преобразователей частоты 1, 2. Преобразователи частоты 1 и 2, используемые в схеме испытаний, состоят из неуправляемых выпрямителей 1.1 и 2.1, звеньев постоянного тока 1.2 и 2.2, управляемых инверторов 1.3 и 2.3. Связь преобразователей частоты 1 и 2 реализуется с помощью шины постоянного тока 4, соединяющей звенья постоянного тока 1.2 и 2.2 частотных преобразователей 1 и 2.
Рис. 3. Схема испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки с использованием двух преобразователей частоты с обменом энергией через звено
постоянного тока
Для создания алгоритма расчета энергетических параметров электротехническим комплексом необходимо понимание физических процессов, происходящих в элементах данной схемой [8].
Преимущество данной схемы состоит в том, что она позволяет осуществить передачу мощности от нагрузочной машины испытуемому двигателю через звено постоянного тока. При этом генерируемая в сеть мощность высших гармонических составляющих тока невелика.
Электрическая энергия, потребляемая электротехническим комплексом из сети, расходуется на потери в электрических машинах, в преобразователях частоты, а также в кабельных линиях, соединяющих силовые элементы схемы между собой. Потерями в коммутационной и измерительной аппаратуре можно пренебречь. [9]
Для расчета энергетических параметров можно воспользоваться алгоритмом, блок-схема которого представлена на рис. 4.
После выбора марки асинхронного двигателя испытание которых предполагается получим начальные водные данные для расчета:
/над - номинальная механическая мощность асинхронного двигателя, Вт;
Ц/н.ад - номинальное напряжение, В;
Ин.ад - частота вращения ротора двигателя, об/мин;
СОЗфн. ад - коэффициент мощности двигателя;
Пн.ад - КПД двигателя;
р - количество пар полюсов двигателя.
Исходя из этих данных можно выбрать преобразователи частоты соответствующей мощности, у которые имеют следующие паспортные данные:
АРн.ич - тепловые потери, Вт;
Пн.пч - КПД, %;
сОЗфн. ич - коэффициент мощности.
В результате математического моделирования работы пары асинхронных машин по схеме взаимной нагрузки, могут быть рассчитаны следующие показатели:
- потребляемая активная мощность машины, работающей в двигательном режиме при номинальной нагрузке (Рад(эл), Вт);
- вырабатываемая активная мощность машины, работающей в генераторном режиме (Ргещэл), Вт);
- действующее значение токов статора обеих асинхронных машин (среднее значение по фазам) (/Ст1, /ет2, А) [6].
Рис. 4. Блок-схема предлагаемого алгоритма расчета энергетических
параметров ЭТК
Используя полученные значения тока статора обеих асинхронных машин и предоставленные производителем данные о величине потерь в преобразователе частоты, работающем в номинальном режиме, можно рассчитать величину потерь в преобразователе частоты подключенному к асинхронной машине, работающей генераторном режиме:
АР =
пч2
/ .
?ст1
V ?ст2
■АР ,
пч.н'
где /Ст1 - действующее значение токов статора машины, работающей в двигательном режиме, А; /Ст2 - действующее значение токов статора машины, работающей в генераторном режиме, А; АРПЧН - номинальные тепловые потери в преобразователе частоты, Вт.
На основе этих данных получим коэффициент возврата мощности генератором:
Р
v 1 ген(эл)
к р =-,
р Р
ад(эл)
где РГЕН(ЭЛ) - вырабатываемая активная мощность машины, работающей в генераторном режиме, Вт; РАд(ЭЛ) - вырабатываемая активная мощность машины, работающей в
двигательном режиме, Вт.
Коэффициент отношения токов статора пары асинхронных машин рассчитан по выражению:
Кт = 1ген, 1 I
ад
где 1ГЕН - ток статора машины, работающей в генераторном режиме, А; 1ад - ток статора машины, работающей в двигательном режиме, А.
Полученные выше данные позволяют определить величину потребляемой активной мощности асинхронными машинами и преобразователями частоты, входящими в состав электротехнического комплекса:
р2ад.2пч = рн.ад ■ (1 _ кр ) + арпч.н ■ (1 + кт) ,
где РНад - номинальная мощность АД, Вт.
Паспортные данные, приведенные производителем преобразователя частоты о его коэффициенте мощности (соб^с), позволяют рассчитать полную мощность, суммарно потребляемую асинхронными машинами и преобразователями частоты, по выражению:
^2ад.2пч = р2ад.2пч ■ С0Б ^н.пч .
Данный результат позволяет вычислить полный ток, потребляемый асинхронными машинами и преобразователями частоты:
Р
I = 1 2ад.2пч
12ад2пч = S ■ инс'
где и н с - номинальное напряжение питающей сети, В.
Исходя из исходных данных о номинальной мощности преобразователей частоты и конструктивном исполнении стенда можно выбрать марку, сечение и способ прокладки кабельной линии [5]. После этого используя технические данные выбранного кабеля (сопротивление жил, протяженность и способ укладки кабельной линии) можно рассчитать тепловые потери мощности в нем:
аркл = 12ад.2пч ■ ( аюм ■1) ,
где рНОМ - номинальное активное сопротивление жил кабеля, Ом/км; I - длина кабельной линии, км.
Суммируя значение активной мощности, потребляемой асинхронными машинами и преобразователями частоты, с величиной тепловых потерь в кабельной линии, можно рассчитать активную мощность, потребляемую электротехническим комплексом в целом:
Р = P +AP
1 этк 1 2ад.2п^ тшкл'
Полная мощность, потребляемая электротехническим комплексом, может быть найдена по выражению:
^этк = рэтк " cos^h.n4 •
Полученное значение можно использовать для определения соответствия имеющегося силового трансформатора предъявляемым требованиям при установке электротехнического комплекса. В случае если имеющейся силовой трансформатор удовлетворяет требованиям необходимо произвести технико-экономическое обосновании выбора между заменой имеющегося или установки дополнительного трансформатора.
Список литературы
1. Об утверждении требований к региональным и муниципальным программам в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности и о признании утратившими силу некоторых актов Правительства Российской Федерации и отдельных положений некоторых актов Правительства Российской Федерации: Утверждено постановлением Правительства Российской Федерации от 11.02.2021 № 161 // Официальный интернет-портал правовой информации: гос. система правовой информации. [Электронный ресурс] URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202102180001?index=0&rangeSize=1 (дата обращения: 10.05.2022).
2. ГОСТ 7217-87. Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1987. 39 с.
3. ГОСТ Р 53472-2009. Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2011. 42 с.
4. ГОСТ Р 52719-2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2007. 46 с.
5. ГОСТ Р МЭК 60287-1-1-2009. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки. Уравнения для расчета номинальной токовой нагрузки (100 %-ный коэффициент нагрузки) и расчет потерь. Общие положения. М.: Стандартинформ, 2009. 27 с.
6. Харламов В.В., Попов Д.И., Соколов П.С., Серкова Л.Е. Экспериментальные исследования метода взаимной нагрузки асинхронных двигателей // Омский научный вестник. 2020. № 5(173). С. 44-49. DOI 10.25206/1813-8225-2020-173-44-49.
7. Попов Д.И. Научные основы создания энергоэффективных методов и средств испытаний электрических машин. Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2019. 175 с.
8. Соколов П.С., Попов Д.И. Разработка подхода к проектированию электротехнического комплекса для испытаний асинхронных машин // Инновационные проекты и технологии машиностроительных производств: Материалы четвертой всероссийской научно-технической конференции. Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2021. С. 93-99.
9. Попов Д.И. Экспериментальное исследование энергетических показателей элементов схемы взаимной нагрузки асинхронных машин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 7. С. 117-124.
10. Попов Д.И. Исследование влияния изменения напряжения сети на потери мощности при испытании асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки // Вестник Чувашского университета. 2020. № 1. С. 145-154.
Соколов Павел Сергеевич, аспирант, cokolov.pashaamail.ru, Россия, Омск, Омский государственный университет путей сообщения,
270
Попов Денис Игоревич, канд. техн. наук, доцент, popovomsk@,yandex. ru, Россия, Омск, Омский государственный университет путей сообщения
DEVELOPMENT OF A METHODOLOGY FOR CALCULATING THE PARAMETERS OF ELEMENTS OF AN ELECTRICAL COMPLEX FOR TESTING ASYNCHRONOUS
MACHINES
P.S. Sokolov, D.I. Popov
The relevance of infrastructure development for maintenance and repair of asynchronous motors is shown. The analysis of failures of equipment, traction rolling stock for 2021 on the example of the passenger electric locomotive EP20 "Olympus" and the freight locomotive 2TE25A "Vityaz" was carried out. The advantages of the considered scheme of testing engines by the method of mutual loading are noted. An algorithm for calculating the parameters of elements of an electrical complex for testing asynchronous motors by the method of mutual loading is proposed.
Key words: asynchronous motor, tests, electrical complex, mutual load.
Sokolov Pavel Sergeevich, postgraduate, cokolov.pasha@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State University of Railway Transport,
Popov Denis Igorevich, candidate of technical sciences, docent, popovomsk@yandex.ru, Russia, Omsk, Omsk State University of Railway Transport
УДК 621.311.1.018.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-271-282
ВЛИЯНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ НА ОБОРУДОВАНИЕ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В.А. Сериков, Д.А. Тучнолобова, Е.Р. Бучинская
Выполнен анализ режимов работы систем электроснабжения с нелинейной нагрузкойи линейной нагрузками и конденсаторной батареей. Нелинейная нагрузка подключена к обмотке распределительного трансформатора 10/0,4 кВ, линейная нагрузка и КБ - к шинам 0,4 кВ или 10 кВ, в зависимости от рассматриваемой схемы электроснабжения. Рассмотрены режимы суточного изменения линейной нагрузки и соответствующего регулирования мощности конденсаторной батареи для типовых схем систем электроснабжения промышленных предприятий. Определены мощности конденсаторов, при которых возникают резонансные режимы на канонических гармониках. Показано, что при суточном регулировании мощности конденсаторных батарей, качество напряжения может не соответствовать требованиям показателей качества электроэнергии, а сами конденсаторные установки могут быть перегружены токами высших гармоник.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, нелинейная нагрузка, высшие гармоники, качество напряжения, конденсаторная батарея, токовая перегрузка.
Известно, что высшие гармоники, генерируемые вентильными преобразователями, негативно влияют на работу всего оборудования, а особенно на работу конденсаторных батарей [1, 9-12]. Исследованию режимов систем электроснабжения (СЭС)с нелинейной нагрузкой посвящено много работ, в частности [2, 7, 8], в которыхвыбранная
271
