CC BY
4
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.313.333 DOI 10.18822/byusu20240232-36
САМОЗАПУСК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ
НЕСИНУСОИДАЛЬНОМ НАПРЯЖЕНИИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
Планков Александр Анатольевич
кандидат технических наук,
инженер ООО «ПНК ДЕВЕЛОПМЕНТ»
Москва, Россия
E-mail: [email protected]
Предмет исследования: процесс самозапуска
асинхронных электродвигателей при наличии высших гармоник в сети питающего напряжения.
Цель исследования: анализ влияния несинусоидальности напряжения на длительность самозапуска асинхронных двигателей и величину дополнительного нагрева при самозапуске.
Методы и объекты исследования: моделирование режима самозапуска асинхронного двигателя в системе координат а, р, 0; имитационное моделирование в Matlab Simulink.
Результаты исследования: показано, что неучет высших гармоник при достижении предельных значений суммарного коэффициента гармонических искажений (THD) может дать погрешность в определении времени самозапуска более чем на 20 %, температуры нагрева - более чем на 10 %.
Ключевые слова: самозапуск, асинхронный электродвигатель, высшие гармоники, электромагнитный момент, нагрев электродвигателя.
SELF-STARTING OF INDUCTION MOTORS AT NON-SINUSOIDAL POWER SOURCE VOLTAGE
Alexander A. Plankov
Candidate of Technical Sciences,
Engineer LTD «PNK DEVELOPMENT»,
Moscow, Russia
E-mail: [email protected]
Subject of research: the process of self-starting of asynchronous electric motors in the presence of higher harmonics in the supply voltage network.
Purpose of research: analysis of the influence of non-sinusoidal voltage on the duration of self-starting of asynchronous motors and the amount of additional heating during self-starting.
Methods and objects of research: modeling of the self-starting mode of an asynchronous motor in the coordinate system a, p, 0; simulation modeling in Matlab Simulink.
Main results of research: it has been shown that failure to take into account higher harmonics when the total harmonic distortion (THD) limit values are reached can result in an error in determining the self-start time by more than 20 % and the heating temperature by more than 10 %.
Keywords: self-starting, asynchronous electric motor, higher harmonics, electromagnetic torque, electric motor heating
ВВЕДЕНИЕ
При питании асинхронного электродвигателя от источника несинусоидального напряжения возникают дополнительные потери, для корректного расчета которых требуется учет значительного количества факторов [4]. В работе [8] приведены результаты численных экспериментов оценки дополнительных потерь от высших гармоник на основании разработанной авторами методики. Физический эксперимент в работе [10] показал рост потерь, обусловленных высшими гармониками, на 9,5 % относительно синусоидального режима. Высшие гармоники также являются причиной возрастания шума на 5-6 дБ [5]. Влияние высших гармоник на статические характеристики P(U), Q(U) узлов нагрузки с асинхронными двигателями исследовано на экспериментальном стенде и опубликовано в работе [13]. В статье [11] Singh G.K. приводит всесторонний обзор исследований и разработок в области работы асинхронных двигателей с несинусоидальной формой питающего напряжения и тока. Автором сделаны попытки осветить текущие и будущие проблемы, связанные с развитием технологии привода асинхронных двигателей, чтобы обеспечить хорошую динамическую устойчивость асинхронной нагрузки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для анализа влияния высших гармоник на условия самозапуска асинхронных двигателей, прежде всего, следует обратить внимание на изменение моментов на валу электродвигателя и возникновение дополнительных колебаний. В статье [9] приведены результаты исследования влияния несинусоидальных токов на электромагнитный момент двигателей. В работе [6] авторами была разработана имитационная модель в среде Matlab Simulink с целью анализа влияния высших гармоник на характеристики электропривода малой мощности. В работе отмечается, что «наличие высших гармоник приводит к созданию тормозящих моментов, которые могут привести не только к возникновению пульсаций электромагнитного момента и скорости» [6, с. 136]. Известно, что высшие гармоники питающего напряжения создают дополнительные тормозящие моменты (рисунок 1). На наличие дополнительных моментов также указано в статье [7, с. 50].
Система уравнений АД для анализа характеристик в системе координат а, в, 0 может быть представлена в виде:
Рисунок 1. Моменты, образуемые отдельными гармониками.
(1)
где Ч1а и Ч1в - проекция потокосцепления обмотки статора АД на оси а и в;
Ч2а и Ч2в - проекция потокосцепления обмотки ротора АД на оси а и в;
U , U - напряжение на основной частоте и на высших гармониках соответственно;
rv r2 - активные сопротивления фазы обмотки статора и ротора АД соответственно;
х;, х2 - полное индуктивное сопротивление фазы обмотки статора и ротора АД соответственно;
хм - индуктивное сопротивление ветви намагничивания АД;
J - инерционная постоянная вращающихся масс;
mc - момент исполнительного органа рабочей машины.
В качестве критерия необходимости учета высших гармоник напряжения, питающего асинхронный двигатель, в задачах динамической устойчивости в настоящей работе предлагается одновременное выполнение следующих условий: а) скольжение выбега
превышает 0,7 о.е., б) коэффициент n-ой гармонической составляющей и коэффициент суммарного гармонического искажения (THD) превышают установленные ГОСТ 321442013 нормативы.
(2)
Электромагнитный момент асинхронного двигателя с учетом высших гармоник напряжения может быть определен по формуле:
■от (3)
В рамках настоящего исследования был произведен анализ развития переходного процесса при пуске асинхронного двигателя при питании от несинусоидального напряжения (рисунок 3). Результаты имеют качественное совпадение с исследованиями других авторов по данной тематике [12, с. 860].
Известно, что высшие гармоники могут стать причиной дополнительного нагрева
начало
Ввод исходных данных
Расчет выбега
Если
Построение механической характеристики АД с учетом несинусоидальности
Построение механической характеристики АД без учета несинусоидальности
(2+q)b
Определение возможности самозапуска
Если
тдв -1, Imjj, > О
> Самозапуск
невозможен
конец
Если
тт -1,1 rtijp > О
> Самозапуск
невозможен
конец
Если
Расчет разгона АД
Тепловой расчет АД
Конец
Определение напряжения на АД
Определение времени разгона АД
Рисунок 2. Алгоритм расчета самозапуска при несинусоидальности питающего напряжения.
токоведущих частей. В работе [3] создана диагностическая модель для исследования теплового поля асинхронного двигателя для обоснования дополнительного нагрева от воздействия высших гармоник. В статье [1] представлена разработанная методика оценки влияния токов высших гармоник и токов обратной последовательности основной частоты на тепловой режим работы, срок службы изоляции и вероятность отказа АД с учётом годового изменения температуры окружающей среды. В результате исследования авторы отмечают: «При увеличении
процентного вклада в суммарный перегрев высших гармоник, образующих обратную последовательность чередования фаз, в кривой питающего напряжения вероятность отказа q резко возрастает» [1, с. 28]. Коллектив авторов в работе [2] приводит результаты экспериментальных исследований для асинхронного двигателя АИР 90L6(M), где доказано, что в результате протекания высших гармоник появляется дополнительный нагрев изоляции обмоток, что приводит к сокращению ее нормативного технического ресурса.
Рисунок 3. Переходный процесс пуска АД при питании от несинусоидального напряжения.
Расчет дополнительного нагрева и дополнительных потерь мощности, обусловленных высшими гармониками, в настоящей работе производится по следующим формулам:
л& =
0.028 «, т, „ 4v + 0.39Jv +1 " 0.03892 - (Кии)2 ^
b
£(Кип)2
b v4v
(5)
В результате проведенных в рамках настоящей работы исследований было
определено, что фактор несинусоидальности влияет на длительность процесса самозапуска, при этом появляется погрешность в определении дополнительной температуры нагрева при самозапуске (таблица 1).
Таким образом, при достижении суммарного коэффициента гармонических искажений (THD) предельных значений, установленных действующим ГОСТ 32144-2013, считаем целесообразным учет высших гармоник при анализе как длительности процесса самозапуска, так и дополнительного нагрева, обусловленного влиянием высших гармоник.
Таблица 1. Результаты численного эксперимента расчета времени самозапуска и дополнительного нагрева обмоток для несинусоидального режима.
Суммарный коэффициент гармонических искажений, % Погрешность
0 12 определения, %
Время самозапуска, с 5,18 6,39 23%
Температура нагрева, °С 23,7 26,4 12%
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
В результате исследования разработаны математическая модель и алгоритм учета неси нусои дальности питающего напряжения для анализа самозапуска асинхронных двигателей. Показано, что наличие высших напряжений приводит к увеличению времени самозапуска более чем на 20%, дополнительный нагрев, обусловленный фактором высших гармоник, превышает 10%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Валянский, А. В. Методика оценки влияния качества электрической энергии на надежность работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором / А. В. Валянский, И. И. Карташев, Ю. В. Шаров. - Текст: непосредственный // Электричество. - 2015. - № 6. - С. 24-29.
2. Влияние показателей качества электроэнергии на надежность асинхронных электродвигателей /
А. Н. Назарычев, А. Н. Скамьин, А. В. Коптева [и др.].
- Текст: непосредственный // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики : Мат. 94-го заседания Международ. науч. семинара, Алушта, 19-23 сентября 2022 года / 2022. - С. 61-70.
3. Дмитриев, Н. А. Влияние несинусоидальности на надежность асинхронного двигателя в системе электроснабжения сельских районов / Н. А. Дмитриев. - Текст: непосредственный // Международный технико-экономический журнал. - 2020. - № 5. - С. 37-43. - DOI 10.34286/1995-4646-2020-74-5-37-43
4. Зарифьян, А. А. Расчетная методика определения потерь в асинхронном тяговом двигателе электровоза при изменяющейся нагрузке / А. А. Зарифьян, П. Г. Колпахчьян. - Текст: непосредственный // Бюллетень результатов научных исследований. - 2023. - № 2. - С. 81-91. - DOI 10.20295/2223-9987-2023-2-81-91.
5. Казаков, Ю. Б. Влияние несинусоидальности питающего напряжения на виброшумовые характеристики асинхронных двигателей / Ю. Б. Казаков, Ю. И. Бондаренко. - Текст: непосредственный // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2015. - № 3. - С. 34-38. - DOI 10.17588/2072-2672.2015.3.034-038.
6. Макаров, В. Г. Модель электропривода малой мощности в пакете MATLAB / В. Г. Макаров, А. М. Шаряпов. -Текст: непосредственный // Вестник Технологического университета. - 2022. - Т. 25, № 12. - С. 133-138. - DOI 10.55421/1998-7072_2022_25_12_133.
7. Немцев, Г. А. Влияние высших гармонических составляющих на работу асинхронных двигателей / Г. А. Немцев, Е. А. Селезнев, Л. А. Шестакова. - Текст: непосредственный // Вестник Чувашского университета. - 2014.
- № 2. - С. 46-51.
8. Путилин, К. П. Добавочные потери в автономных системах электроснабжения со статическими преобразователями / К. П. Путилин, А. К. Пронина, Ю. А. Майорова.
- Текст: непосредственный // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2019. - Т. 62, № 1. - С. 106-112. - DOI 10.17213/0136-3360-2019-1-106-112.
9. Effects of Injected Harmonics on Torque Pulsations of a Three Phase Induction Motor: Study on SPWM B / S. Venkat Raman, P. R. Tripathi, G. S. Gupta and R. K. Keshri // 2020 International Conference on Computational Performance Evaluation (ComPE), Shillong, India. - 2020. - pp. 637642. - DOI: 10.1109/ComPE49325.2020.9200018.
10. Experimental study on the influence of high frequency PWM harmonics on the losses of induction motor / Meihui Jiang, Jun Tian, Hui Hwang Goh, Jiawei Yi, Shenwang Li, Dongdong Zhang, Thomas Wu // Energy Reports. - Volume 8. -Supplement 8. - 2022. - Pages 332-342. - DOI: https:// doi.org/10.1016/j.egyr.2022.09.158.
11. G.K. Singh A research survey of induction motor operation with non-sinusoidal supply wave forms //Electric Power Systems Research. - Volume 75. - Issues 2-3. - 2005.
- Pages 200-213. - DOI: https://doi.org/10.1016/j. epsr.2005.04.001.
12. S. A. Deraz and H. Z. Azazi Impact of distorted voltage on three-phase induction motor performance //2017 Nineteenth International Middle East Power Systems Conference (MEPCON), Cairo, Egypt. - 2017. - pp. 857863. - DOI: 10.1109/MEPCON.2017.8301280.
13. Skamyin, A. Static load characteristics in the presence of high harmonics / A. Skamyin, O. Vasilkov // E3S Web of Conferences : International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering, EECE 2019, Saint-Petersburg, 19-20 ноября 2019 года. Vol. 140. - Saint-Petersburg: EDP Sciences, 2019. - P. 10005. - DOI 10.1051/e3sconf/201914010005.
