Научная статья на тему 'РЕАЛИЗАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ УЧЕБНОГО ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА'

РЕАЛИЗАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ УЧЕБНОГО ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
85
13
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРОГРАММА ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ / ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД / ПРАВИЛА РОССИЙСКОГО РЕЧНОГО РЕГИСТРА / A PROGRAM FOR TESTING ELECTRIC MOTORS / LABORATORY STAND / RULES OF THE RUSSIAN RIVER REGISTER

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Попов Сергей Васильевич, Малышев Юрий Сергеевич

Рассмотрены проблемы использования комплектующих, находящихся на складах в течение длительного времени, и проведения связанных с этим испытаний. Выявлена целесообразность проведения необходимых испытаний на лабораторных стендах учебных заведений находящихся в малой удаленности от предприятий изготовителей. Приведены требования программы испытаний. Предложены два варианта создания установки для проведения технических испытаний. Первый вариант выполнен на базе электромашинных преобразователей, при этом для оценки реальных переходных процессов, происходящих в испытуемом электродвигателе, необходимо иметь либо сеть переменного тока заведомо большой мощности, либо систему стабилизации частоты и напряжения питающей сети. Второй вариант выполнен на базе преобразователя частоты, имеет повышенный КПД системы и меньшее потребление электроэнергии, но более высокую стоимость. Наличие в схеме преобразователя частоты может вызвать появление дополнительных гармонических составляющих. Выбор схемы для испытаний зависит от поставленной задачи, необходимости в измерениях с требуемой точностью, а также конструктивной возможности лабораторного стенда.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Попов Сергей Васильевич, Малышев Юрий Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

REALIZATION OF THE TEST UNIT ON THE BASIS OF THE EDUCATIONAL LABORATORY STAND

The problem of using the components which are located in the warehouses for a long time and the problem of carrying out the related trials are considered. The expediency of carrying out the necessary tests on the laboratory stands of education institutions located in a small distance from the enterprises manufacturers has been revealed. The requirements of the test program are given. Two options for creating installations for carrying out technical trials were proposes The first version is made on the basis of electric transducers, while to assess real transients occurring in the motor under test, it is necessary to have either an AC network of known high power or a system for stabilizing the frequency and voltage of the supply network. The second variant is based on the frequency converter and has increased system efficiency and lower power consumption, but a higher cost. The presence of a frequency converter in the circuit can cause the appearance of additional harmonic components. The choice of the scheme for testing depends on the task, the need for measurements with the required accuracy, as well as the constructive capabilities of the laboratory bench.

Текст научной работы на тему «РЕАЛИЗАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ УЧЕБНОГО ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА»

УДК 621.313.1

Попов Сергей Васильевич, доцент, к.т.н., доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта», ФГБОУВО «ВГУВТ» e-mail: popovsev3@yandex.ru

Малышев Юрий Сергеевич, доцент, к.т.н., доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта», ФГБОУ ВО «ВГУВТ» e-mail: elektrikasp@mail.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волжский государственный университет водного транспорта» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

РЕАЛИЗАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ УЧЕБНОГО ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Ключевые слова: программа испытания электродвигателей, лабораторный стенд, правила Российского Речного Регистра.

Аннотация. Рассмотрены проблемы использования комплектующих, находящихся на складах в течение длительного времени, и проведения связанных с этим испытаний. Выявлена целесообразность проведения необходимых испытаний на лабораторных стендах учебных заведений находящихся в малой удаленности от предприятий изготовителей. Приведены требования программы испытаний. Предложены два варианта создания установки для проведения технических испытаний. Первый вариант выполнен на базе электромашинных преобразователей, при этом для оценки реальных переходных процессов, происходящих в испытуемом электродвигателе, необходимо иметь либо сеть переменного тока заведомо большой мощности, либо систему стабилизации частоты и напряжения питающей сети. Второй вариант выполнен на базе преобразователя частоты, имеет повышенный КПД системы и меньшее потребление электроэнергии, но более высокую стоимость. Наличие в схеме преобразователя частоты может вызвать появление дополнительных гармонических составляющих. Выбор схемы для испытаний зависит от поставленной задачи, необходимости в измерениях с требуемой точностью, а также конструктивной возможности лабораторного стенда.

Введение

Выполнение технических испытаний судового (промышленного) электрооборудования, в частности - электрических машин, является актуальной задачей в период увеличивающегося спроса и, одновременно, цен на комплектующие [1].

Цель и задачи

Реализация испытательной установки на базе учебного лабораторного стенда экономически обоснована и является, на наш взгляд, оптимальным решением для заказчика (завода-изготовителя). Поскольку денежные вложения на переоборудование стенда минимальны, основная статья расходов закладывается на оформление документов: признание Российского Речного Регистра, свидетельство о поверке измерительных приборов и др.

Исходя из программы испытаний, утвержденной Российским Речным Регистром, необходимо проверить работу электродвигателя под нагрузкой не только при номинальном, пониженном и завышенном напряжении, но и при изменяющейся частоте

питающего напряжения ±5% от номинальной в длительном и ±10% кратковременном режимах [2]. Необходимо также произвести проверку электрической машины на электромагнитную совместимость на предмет помех, излучаемых в сеть. По сути, нужно измерить коэффициент искажений напряжения питающей сети при подключении к ней электродвигателя с нагрузкой.

Материалы и методы

Испытания при изменении параметров питающего электродвигатель напряжения возможно выполнить в полном объеме, если это позволяет испытательная установка. На рис. 1 показана схема лабораторного стенда для испытания электрической машины серии МАП 221-4/8 ОМ1 (3,6/1,3 кВт). Установка выполнена на базе электромашинных преобразователей и состоит из четырех электрических машин: машины постоянного тока М1 мощностью 3,6 кВт, синхронного генератора СГ (5 кВт), машины постоянного тока М2 (3,6 кВт), испытуемого асинхронного двигателя АД. Валы двух пар машин объединены муфтами с резиновыми пальцами (на схеме показаны штрих-пунктирными линиями).

Изменение величины напряжения синхронного генератора СГ производится за счет регулируемого источника питания РИП обмотки возбуждения. Изменение частоты напряжения генератора выполняется регулированием частоты вращения двигателя постоянного тока М1 путем воздействия на потенциометр R2 параллельной обмотки возбуждения. Контроль над частотой напряжения генератора осуществляется по частотомеру РН.

Момент сопротивления на валу испытуемого асинхронного двигателя АД создается за счет машины постоянного тока М2, работающей в генераторном режиме и нагруженной на реостат R4. Момент нагрузки рассчитывается по току якоря, определяемому по амперметру РА5. Частота вращения обеих «спарок» отображается на измерительных приборах ИП1 и ИП2, которые получают сигналы от тахометров BR1 и BR2. Параметры напряжения, тока и мощности по фазам отображаются на приборах измерительного комплекта К505, установленного в цепь питания обмотки статора АД.

Следует отметить, что объединение двух «спарок» выполняется трехфазным кабелем (на схеме показаны штриховыми линиями), а переключение силовых цепей и их защиту выполняют коммутационная аппаратура и автоматические выключатели, соответственно (на схеме рис. 1 не показаны).

Коэффициент искажений определяется электронным измерительным прибором, подключенным к цепям обмотки статора АД. Этот прибор отображает суммарное значение высших гармонических составляющих напряжения, вплоть до 40 гармоники, по всем трем фазам.

При набросе нагрузки на асинхронный двигатель АД, путем включения автоматического выключателя QF в цепи якоря машины постоянного тока, по обмоткам статора АД будет протекать электрический ток:

/, = —,

m U х cos ф^

который вызовет реакцию якоря синхронной машины СГ, приводящую, в свою очередь, к снижению ЕДС обмотки якоря СГ. Поэтому напряжение на обмотках якоря и, следовательно, на статорных обмотках АД будет определяться из выражения:

U = Е + Ет - IaRa = Е0 + Е^ + Eaq + Eaa - IaRa .

~ 380В

■о а о-------, о -

- 220В

ВЮ

ИП1

нагрузка

Э(?)®

генератор

К505

СГ

РАЗ

РИП

тг

- 50В

РА1

Ю

ВК2

+ 9

М1 ЬМ1

- 220В

+ 9

Рис. 1. Схема лабораторного стенда на базе электромашинных преобразователей для испытания асинхронного двигателя

Из теории известно, что момент асинхронного двигателя зависит от квадрата пи-

тающего напряжения:

ш1 ■ р ■и

К,

2 ■%■ /1

К +-

я,

\х 1 + X 2 )2

поэтому, в случае соизмеримых мощностей генератора и испытуемого электродвигателя, ввиду неизбежного влияния нагрузки на параметры силовой цепи в переходных режимах работы привода, испытания не могут считаться адекватными.

Следует отметить, что в установившихся режимах параметры частоты и напряжения могут быть скорректированы замкнутыми системами регулирования путем изменения частоты вращения гонного двигателя М1 и напряжения питания обмотки возбуждения (воздействием на РИП). Введение систем регулирования также позволит улучшить качество переходных процессов при набросе и сбросе нагрузки на АД, но вместе с тем значительно усложнит реализацию установки.

2

ч

/

Для оценки реальных переходных процессов, происходящих в испытуемом электродвигателе, необходимо иметь либо сеть переменного тока заведомо большой мощности, либо систему стабилизации частоты и напряжения питающей сети. Последнее возможно реализовать за счет внедрения в схему испытательного стенда преобразователя частоты - ПЧ (см. рис. 2). Установка, по сравнению с предыдущим вариантом, претерпела значительные изменения в отсутствие одного машинного преобразователя (СГ и М1), что повышает КПД системы и снижает потребление электроэнергии. Однако, оснащение установки преобразователем частоты ПЧ требует некоторых затрат денежных средств (по сравнению с первым вариантом реализации, денежные вложения отсутствуют).

(1\MHHl

ип {/п Л мн х ■

- 220В

Рис. 2. Схема лабораторного стенда на базе преобразователя частоты

При работе АД палубных механизмов в судовых условиях возникают провалы и всплески напряжения в питающей сети, поэтому при лабораторных испытаниях АД изменение величины питающего напряжения также допустимо. Использование основного закона регулирования предполагает изменение как параметра напряжения, так и параметра частоты, когда в реальных условиях работы АД от судового генератора, при соотношении мощностей 1:20 и более, даже в пусковых режимах, влияния на частоту генератора практически не оказывается. Вместе с тем, при работе (пуске, периодическом реверсе) более мощного электропотребителя от судовой сети возникают переходные процессы напряжения и частоты в широких пределах, поэтому возможная работа испытуемого АД (например, электропривод брашпиля) от такой сети будет происходить в более тяжелых условиях.

Стандартные законы регулирования параметров электроэнергии на выходе ПЧ предполагают стабилизацию либо частоты, либо напряжения за счет внутренних контуров регулирования. При выборе закона регулирования и/^сопй возможно смоделировать одновременное изменение параметров частоты и напряжения, лишь введя в

систему регулирования внешний канал возмущающего воздействия (рис. 3). Для получения возможности раздельного регулирования величин напряжения и частоты на статоре АД необходимо введение дополнительного канала (рис. 3, штриховая линия).

380В

Рис. 3. Схема лабораторного стенда на базе преобразователя частоты с дополнительным регулятором

Различные условия лабораторной установки и реальной судовой электроэнергетической системы в плане мощностей генераторов и берегового источника (силового трансформатора лаборатории), судовой сети и промышленной, позволяют проведение испытаний с определенной погрешностью, которая может быть определена как опытным путем, так и в процессе моделирования системы.

Результаты

Предложенная установка позволяет выполнить программу испытаний АД под нагрузкой в части регулирования параметров частоты и напряжения (±5% в длительном и ±10% в кратковременном режимах), но оценить влияния электродвигателя на питающую сеть в плане нелинейных искажений не представляется возможным [3]. Как известно, ПЧ является генератором высших гармонических составляющих напряжения в питающую сеть, величина которых напрямую связана с соотношением мощностей сети и самого ПЧ. Высшие гармонические составляющие вызывают нежелательный нагрев магнитопроводов статора и ротора.

Также не является секретом тот факт, что импульсное напряжение, которое формирует синусоидальную форму напряжения питания электродвигателя, приводит к появлению гармонических составляющих и резко снижает срок службы изоляции обмоток электрической машины [4-15]. Учитывая давний срок изготовления электродвигателей, даже кратковременные испытания при полной нагрузке и прогревом до номинальной температуры, может привести к значительному снижению сопротивления изоляции. Во избежание этого, в цепь питания электродвигателя необходимо установить электрический фильтр (в самом простом случае - дроссель, или же более качественный ЬС-фильтр).

В результате следует, что в зависимости от поставленной задачи, необходимости в измерениях с требуемой точностью, а также конструктивной возможности лабораторного стенда, будет выбрана схема испытательной установки.

Заключение

Независимо от варианта реализации установки, результатами испытаний, которые обязательно проводятся под наблюдением эксперта Российского Речного Регистра, являются составленные и подписанные обеими сторонами акты и протоколы.

Список литературы:

[1] Попов С.В., Малышев Ю.С., Использование учебных и исследовательских лабораторий для проведения технических испытаний/ Труды 18-го Междунар. научно-промышленного форума «Великие реки - 2016». Труды конгресса. - Н.Новгород: ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2016.- Т.2.

[2] Российский Речной Регистр. Правила (в 5-х томах). Т. 4. - М: ОАО «Типография «Новости», 2017, 440 с.

[3] Программа испытаний электрического двигателя МАП 221-4/8 ОМ1 РЕГК.360201.02.549/ МАП 221-4/8 ОМ1.

[4] Влияние высших гармоник напряжения и тока на работу электрооборудования. Available at: http://electricalschool.info/main/elsnabg/260-vlijanie-vysshikh-garmonik.html (accessed 25 October 2018)

[5] Гармоники тока и напряжения в электросетях. Available at: http://www.matic.ru/clients/ arti-cles/harmonics-voltage-and-current-in-electrical-networks/ (accessed 25 October 2018)

[6] Основные способы управления параметрами энергетических систем для снижения влияния нелинейных нагрузок на показатели качества электрической энергии. Available at: http://www.science-education.ru/106-8075 (accessed 25 October 2018)

[7] Высшие гармоники в силовых сетях промышленных предприятий. Available at: http://www.elec.ru/articles/vysshie-garmoniki-v-silovyh-setyah-promyshlennyh-p/ (accessed 25 October 2018)

[8] Interference sources in electrical networks. Available at: http://www.energoboard.ru/articles/ 2068-istochniki-pomeh-v-elektricheskih-setyah.html (accessed 25 October 2018)

[9] Types of Electrical Power Supply Interference Available at: https://www.thomasnet.com/articles/ electrical-power-generation/power-supply-interference (accessed 26 October 2018)

[10] K. Miskiewicz A. Wojaczek S. Fraczek F. Krasucki, Electromagnetic Compatibility in Underground Mining/ Elsevier Science/ 1993

[11] John Papiewski, How to Eliminate Electromagnetic Interference Available at: https://itstillworks. com/filter-dc-noise-7712710.html (accessed 17 Februaryr 2019)

[12] Bryan Cole, The way in which SPDs are connected can have a large impact on the overall protection provided / Different Methods of Connecting an SPD to an Electrical Distribution Network / Item Media / January 5, 2009 Available at: https://interferencetechnology.com/different-methods-of-connecting-an-spd-to-an-electrical-distribution-network/ (accessed 17 Februaryr 2019).

[13] Institute of Electrical and Electronic Engineers (2002). IEEE Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-Voltage (1000 V and Less) AC Power Circuits, IEEE C62.41.2TM-2002. NY, NY USA.

[14] Underwriters Laboratories, Incorporated (1986). Standard for Safety, Transient Voltage Surge Suppressors. UL 1449, Northbrook, IL USA.

[15] National Fire Protection Association, National Electric Code®, NFPA 70-2005, Quincy, MA USA.

REALIZATION OF THE TEST UNIT ON THE BASIS OF THE EDUCATIONAL LABORATORY STAND

Popov Sergey V., Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of Electrical engineering and electrical equipment of water transport facilities Volga State University of Water Transport

Malyshev Yuriy S., Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of Electrical engineering and electrical equipment of water transport facilities Volga State University of Water Transport 5, Nesterov st, Nizhniy Novgorod, 603951

Keywords: a program for testing electric motors, laboratory stand, the rules of the Russian River Register.

Annotation. The problem of using the components which are located in the warehouses for a long time and the problem of carrying out the related trials are considered. The expediency of carrying out the necessary tests on the laboratory stands of education institutions located in a small distance from the enterprises manufacturers has been revealed. The requirements of the test program are given. Two options for creating installations for carrying out technical trials were proposes The first version is made on the basis of electric transducers, while to assess real transients occurring in the motor under test, it is necessary to have either an AC network of known high power or a system for stabilizing the frequency and voltage of the supply network. The second variant is based on the frequency converter and has increased system efficiency and lower power consumption, but a higher cost. The presence of a frequency converter in the circuit can cause the appearance of additional harmonic components. The choice of the scheme for testing depends on the task, the need for measurements with the required accuracy, as well as the constructive capabilities of the laboratory bench.

References:

[1] Popov S.V., Malyshev YU.S., Ispol'zovaniye uchebnykh i issledovatel'skikh laboratoriy dlya provedeniya tekhnicheskikh ispytaniy/ Trudy 18-go Mezhdunar. nauchno-promyshlennogo foruma «Velikiye reki - 2016». Trudy kongressa. - N.Novgorod: FGBOU VO «VGUVT», 2016.- T.2.

[2] Rossiyskiy Rechnoy Registr. Pravila (v 5-kh tomakh). T. 4. - M: OAO «Tipografiya «No-vosti», 2017, 440 s.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

[3] Programma ispytaniy elektricheskogo dvigatelya MAP 221-4/8 OM1 REGK.360201.02.549/MAP 221-4/8 OM1.

[4] Vliyaniye vysshikh garmonik napryazheniya i toka na rabotu elektrooborudovaniya. Available at: http://electricalschool.info/main/elsnabg/260-vlijanie-vysshikh-garmonik.html (accessed 25 October 2018)

[5] Garmoniki toka i napryazheniya v elektrosetyakh. Available at: http://www.matic.ru/clients/ arti-cles/harmonics-voltage-and-current-in-electrical-networks/ (accessed 25 October 2018)

[6] Osnovnyye sposoby upravleniya parametrami energeticheskikh sistem dlya snizheniya vliyaniya nelineynykh nagruzok na pokazateli kachestva elektricheskoy energii. Available at: http://www.science -education.ru/106-8075 (accessed 25 October 2018)

[7] Vysshiye garmoniki v silovykh setyakh promyshlennykh predpriyatiy. Available at: http://www.elec.ru/articles/vysshie-garmoniki-v-silovyh-setyah-promyshlennyh-p/ (accessed 25 October 2018)

[8] Interference sources in electrical networks. Available at: http://www.energoboard.ru/articles/2068-istochniki-pomeh-v-elektricheskih-setyah.html (accessed 25 October 2018)

[9] Types of Electrical Power Supply Interference Available at: https://www.thomasnet.com/articles /electrical-power-generation/power-supply-interference (accessed 26 October 2018)

[10] K. Miskiewicz A. Wojaczek S. Fraczek F. Krasucki, Electromagnetic Compatibility in Underground Mining/ Elsevier Science/ 1993

[11] John Papiewski, How to Eliminate Electromagnetic Interference Available at: https://itstillworks. com/filter-dc-noise-7712710.html (accessed 17 Februaryr 2019)

[12] Bryan Cole, The way in which SPDs are connected can have a large impact on the overall protection provided / Different Methods of Connecting an SPD to an Electrical Distribution Network / Item Media / January 5, 2009 Available at: https://interferencetechnology.com/different-methods-of-connecting-an-spd-to-an-electrical-distribution-network/ (accessed 17 Februaryr 2019).

[13] Institute of Electrical and Electronic Engineers (2002). IEEE Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-Voltage (1000 V and Less) AC Power Circuits, IEEE C62.41.2TM-2002. NY, NY USA.

[14] Underwriters Laboratories, Incorporated (1986). Standard for Safety, Transient Voltage Surge Suppressors. UL 1449, Northbrook, IL USA.

[15] National Fire Protection Association, National Electric Code®, NFPA 70-2005, Quincy, MA USA. Статья поступила в редакцию 17.03.2019 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.