CC BY
99
РАЗДЕЛ I. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.313.333
А. А. Марченко, С. Ю. Труднев
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: Marchencko29@mail.ru
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
В данной статье приводится анализ основных схем для испытаний асинхронных электродвигателей. Авторами были выявлены две основные группы испытательных стендов, схемные решения большинства из которых основаны на применении электромашинных преобразователей.
Преимущества таких схем заключаются в простоте конструкции и ремонтопригодности и являются определяющими факторами в выборе метода испытаний. В то же время низкий коэффициент полезного действия и трудоемкость испытаний существенно ограничивают возможность применения данных устройств в судоремонтных цехах. После выявления недостатков и преимуществ этих устройств и с их учетом предложена модернизированная схема для испытаний асинхронных двигателей. В основе схемы лежит преобразователь на основе электрических машин, который обладает свойствами беспрепятственной рекуперации электрической энергии в сеть.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, методы нагружения, электрический ток, механическая мощность, момент, коммутация, частота сети.
A.A. Marchencko, S.U. Trudnev (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003) Test devices of asynchronous motors on the basis of electric machine converters
There is analysis of the main schemes for induction motors testing in these materials. The authors has identified two main groups of test stands, circuit designs of the majority are based on the use of rotary converters.
The advantages of such schemes are in the simplicity of design and maintainability and are determining factors in the choice of test method. At the same time, low efficiency and tests labour-intensiveness limit the possibility of application of these devices in ship repair shops significantly. After identifying the shortcomings and advantages of these devices the streamlined scheme for induction motors testing was proposed. Transducer on the basis of electrical machines having the properties of unimpeded recuperation into the network is on the scheme base.
Key words: asynchronous engine, loading methods, electric current, mechanical power, torque, switching, network frequency.
DOI: 10.17217/2079-0333-2015-33-6-10
Наиболее эффективным режимом испытания электрических машин после ремонта является режим, максимально приближенный к эксплуатационному. Другими словами, полную картину совместно с обязательными мерами контроля состояния электрических машин могут дать испытания машины под нагрузкой [1, с. 351-354]. Очевидно, что такие операции, как например измерение уровня вибрации или состояния подшипников, лучше выполнять в условиях, соответствующих их эксплуатационным, а именно под нагрузкой. В то же время они более сложно реализуемы. Методы испытаний можно разделить на две группы: с непосредственной нагрузкой и с динамическим нагружением.
В качестве непосредственной нагрузки первой группы методов испытаний чаще всего используется электрическая машина, сопряженная механически с испытуемым электродвигателем. В то время как вторая группа методов относится к искусственному нагружению, и испытания осуществляются в режиме холостого хода. Суть метода заключается в резком уменьшении частоты вращения машины в процессе испытаний, что приводит к рекуперативному торможению и повышению токов статора. Такой режим может соответствовать нагрузочному.
Наибольшее распространение получил способ испытаний с непосредственной нагрузкой без рекуперации электроэнергии (рис. 1).
В рамках испытаний с асинхронным электродвигателем (1) соединяют механически (4) генератор постоянного тока (2), который в свою очередь работает на активное сопротивление (3), как показано на рис. 1.
В рамках данного метода в качестве нагрузки для асинхронного электродвигателя выступает генератор, температура нагревательного элемента характеризует работу электродвигателя.
Данный способ является наиболее простым, но имеет следующие недостатки.
1. Электрические машины соединены механически. Для этого необходим сложный процесс центровки, который является достаточно трудоемким и включает в себя множество этапов.
Так как на судоремонтных предприятиях проверку проходят двигатели различных марок, то несоответствие размеров испытательного оборудования и двигателей, подвергавшихся ремонту, является затруднением при испытаниях. Для проведения испытаний при данных условиях необходимым является центровка электрических машин и выставление их по высоте при работе с каждой следующей машиной. Это предполагает использование дополнительного сложного оборудования.
2. Наличие резистора в схеме предполагает рассеивание электрической энергии генератора в тепловую энергию. При наличии большого количества стендов на крупных судоремонтных предприятиях и испытаниях электрических машин большой мощности потери могут оказаться существенными, поэтому для улучшения энергоэффективности были разработаны способы с рекуперацией электрической энергии в сеть.
Методы испытаний с использованием электрических машин и рекуперацией электрической энергии в сеть требуют, как правило, многократного преобразования энергии и сложного комплекта испытательного оборудования. Так как электрические машины имеют невысокий коэффициент полезного действия, то применение многомашинных устройств значительно снижает эффективность всей системы. Поэтому применение подобных методов целесообразно при испытаниях электрических машин средней и большой мощности.
Наиболее распространенной схемой испытаний асинхронных электродвигателей под нагрузкой с отдачей энергии в сеть является схема [2, с. 164-166], представленная на рис. 2.
При проведении испытаний по данной схеме испытуемый асинхронный электродвигатель (1) питается от сети переменного тока (в случае необходимости регулирования напряжения двигатель соединяется с сетью через автотрансформатор или индукционный регулятор) и приводит во вращение нагрузочный генератор постоянного тока (2). Якорь генератора соединен с якорем двигателя постоянного тока (3) с помощью механического соединения (5). При
помощи вала (5) скорость электродвигателя постоянного тока поддерживается постоянной. Двигатель (3) механически соединен с синхронным генератором (4), отдающим энергию в сеть.
Анализ недостатков указанного устройства выявил сложность его конструкции, а также согласования частот вращения испытуемого асинхронного электродвигателя и генератора. С целью согласования частот испытуемой и нагрузочной машин используются механические соединения электрических машин, связанные с трудоемкими процессами центровки. Кроме того, испытания машин на испытательных стендах такого рода связаны с подстройкой по мощности и конструкции машин, что предполагает использование большого парка нагрузочных машин и генераторов.
Рис. 1. Схема испытания АД с непосредственной
нагрузкой без рекуперации электроэнергии: 1 - испытуемый асинхронный электродвигатель, 2 - генератор постоянного тока, 3 - резистор, 4 - механическая связь между электрическими машинами
Рис. 2. Схема испытаний с непосредственной нагрузкой с рекуперацией электроэнергии: 1 - испытуемый асинхронный электродвигатель; 2 - нагрузочный генератор постоянного тока; 3 - двигатель постоянного тока; 4 - синхронный генератор; 5 - механическое соединение электрических машин
Автором В.Д. Авиловым предложен способ, позволяющий проводить испытания при различных частотах вращения, а также осуществлять возврат энергии в сеть (рис. 3). Механически сопряженные асинхронные электродвигатели подключают к однотипным частотным преобразователям с общим звеном постоянного тока. Далее посредством преобразователей производится плавный пуск электродвигателей до испытываемой частоты вращения. При таком режиме в цепи одного из двигателей снижают частоту питающего напряжения на 2-4 Гц, и в цепь звена постоянного тока кратковременно в течение 1,5-2 с подключают активную нагрузку в виде блока сопротивлений, обеспечивающих гашение энергии в пределах 20-25% от номинальной мощности электродвигателя. Таким способом обеспечивается устойчивость системы самовозбуждения, и как следствие этот двигатель переходит в режим генератора, который через цепь общего звена постоянного тока передает энергию к сопряженному электродвигателю.
Рис. 3. Схема испытаний с непосредственной нагрузкой и частотным управлением: 1, 2 - испытуемые электродвигатели; 3,4 - преобразователи частоты;5, 6 - выпрямительные блоки; 7, 8 - звено постоянного тока; 9, 10 - инвертор; 11 - цепь связи по постоянному току; 12 - управляемый тормозной модуль
Также схема позволяет осуществить смену режимов работы сопряженных электродвигателей, не изменяя местоположение машин.
В упрощенном варианте схемы подключения испытуемых асинхронных электродвигателей 1, 2 к однотипным частотным преобразователям 3, 4 приведены на рис. 4.
Эффективность способа испытания асинхронных электродвигателей достигается за счет сокращения энергозатрат до 70-75%, так как потребляемая мощность при испытаниях снижается и составляет всего 25-30% от номинальной мощности электродвигателя, и при этом эффективность также достигается за счет возможности проведения испытаний под нагрузкой при различных частотах вращения электродвигателей.
Данному способу присущи недостатки и несоответствия:
- невозможность рекуперации электроэнергии в сеть при использовании преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Данное устройство обеспечивает двойное преобразование энергии при помощи выпрямителя и инвертора, которые не осуществляют работу в обратном направлении. Для этих целей возможно применение преобразователей с непосредственной коммутацией. Однако с применением данного устройства связаны трудности по гашению поля и устойчивой работе асинхронного электродвигателя в генераторном режиме;
- наличие механических связей между электрическими машинами. Как и во всех нагрузочных стендах с механическими связями, испытания машин затруднены процессом центровки;
Сеть
ПЧ [ Мп ] ( м )
О1 О Энергия -1
Рис. 4. Структурная схема испытания асинхронного электродвигателя с использованием преобразователя частоты: ПЧ - преобразователь частоты; Мп - приводной электродвигатель; М- испытуемый электродвигатель
- применение однотипных преобразователей частоты. На судоремонтных заводах проходит процесс испытаний после ремонта электродвигателей различных типов и назначения. Кроме того, что устройство предназначено для испытания машин примерно одинаковой мощности с целью получения оптимального нагрузочного момента, оно также предусматривает применение одинаковых довольно дорогостоящих преобразователей.
При существующей проблеме энергосбережения может получить распространение способ проверки электродвигателей с отдачей электроэнергии в сеть без применения синхронного генератора. Схема такого устройства представлена на рис. 4.
Применение частотных преобразователей, позволяющих изменять частоту и напряжение, может существенно упростить процедуру испытания.
При данном способе испытания стационарно установленный на испытательном стенде приводной электродвигатель Мп сочленяется с испытуемым электродвигателем М. Приводной электродвигатель получает питание от сети через преобразователь частоты ПЧ. Изменение частоты подводимого напряжения к приводному электродвигателю позволяет без проблемы согласовать частоты вращения приводного и испытуемого электродвигателей. Увеличение частоты напряжения на преобразователе ПЧ приводит к увеличению частоты вращения обоих электродвигателей. При повышении частоты вращения выше синхронной испытуемый электродвигатель переходит в генераторный режим с отдачей электроэнергии в сеть, соответствующую моменту Ми 1. При равенстве моментов приводного электродвигателя и испытуемого Мп1 = Ми1 происходит устойчивая работа агрегата и испытуемый электродвигатель отдает Сеть электроэнергию в сеть, соответствующую моменту Ми 1 [3].
Таким образом, путем изменения частоты преобразователя ПЧ возможно производить загрузку испытуемого электродвигателя до необходимой силы тока.
При этом реактивная мощность не создает момента на валу приводного электродвигателя. Таким образом, мощность испытуемого генератора может превышать мощность приводного электродвигателя приблизительно в 10 раз.
Рекомендуется нагружать генератор емкостным реактивным током. При этом генератор, вырабатывая реактивную энергию, снижает в целом по предприятию потребляемую реактивную энергию от энергосистемы.
Основное преимущество методов испытания электродвигателей при помощи динамического нагружения заключается в отсутствии механических соединений между испытуемым электродвигателем и нагрузкой.
В основе всех устройств для динамического нагружения асинхронного электродвигателя лежит блок-схема, представ-
Энергия
ленная на рис. 5.
Рис. 5. Схема динамического нагружения АД: 1 - нагружаемый асинхронный электродвигатель, 2 - тиристорной преобразователь частоты инверторного типа, 3 - блок управления
Примерные механические характеристики при периодическом изменении частоты представлены на рис. 6.
На участке от ноля до точки Ь происходит разгон электродвигателя, участок Ьс соответствует переходу в генераторный режим асинхронного двигателя, который при резком изменении частоты начинает работать по второй механической характеристике /2. Торможению электродвигателя при отдаче электроэнергии в сеть соответствует участок сй. Переходу из генераторного режима в двигательный соответствует участок йа. Недостатком этого устройства являются высокие массогабаритные характеристики, необходимость компенсации гармонических составляющих синусоидального сигнала выходного напряжения, сложность алгоритма управления устройством. Указанные недостатки обусловлены
наличием тиристорного преобразователя частоты инверторного типа, который обеспечивает взаимный обмен энергией между сетью и электродвигателем. Кроме того, существующее преобразовательное оборудование такого типа не может быть использовано для нагружения асинхронных электродвигателей большой мощности.
Рекуперация электроэнергии в сеть переменного тока является проблематичной, так как для параллельной работы с сетью необходимо согласование напряжений по фазе. Для режима рекуперативного торможения в целях уменьшения гармоник могут применяться фильтры, но их
применение значительно уменьшит отдаваемую в сеть энергию. Это напрямую скажется на КПД системы.
В качестве схемотехнической реализации может выступать схема, представленная на рис. 7 Данная схема предусматривает наличие электромашинного преобразователя частоты, в основе которого выступает синхронный генератор СГ [4]. Как известно, изменение скорости вращения СГ напрямую влияет на частоту его напряжения. Изменение частоты вращения может осуществляться различными способами. В данной схеме используется приводной двигатель постоянного тока ДПТ и тиристорный преобразователь напряжения ТП.
Наряду с положительными характеристиками схем искусственного нагружения основным преимуществом представленной схемы является беспрепятственная рекуперация электрической энергии при испытаниях с понижением частоты в широких пределах.
Из всего вышеизложенного возможно сделать некоторые выводы. Во-первых, в настоящее время не получили распространение стенды для испытания асинхронных двигателей на основе электрических машин. Это объясняется существенными недостатками таких схем ввиду сложности их конструкции. Низкий коэффициент полезного действия и существенные потери электрической энергии ограничивают применение таких устройств. Во-вторых, возможным решением является метод нагружения с использованием преобразователей частоты, которые лишены перечисленных недостатков. Преобразователи на основе электрических машин имеют простую конструкцию, высокую степень ремонтопригодности и обладают свойствами беспрепятственной рекуперации электрической энергии в сеть.
Литература
1. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. 4-е изд. - Ленинград: Энер-гоатомиздат, 1984. - 408 с.
2. Голдберг О.Д. Испытание электрических машин. 2-е изд. - М.: Высш. шк., 2000. - 255 с.
3. Портнягин Н.Н., Марченко А.А. Диагностика асинхронных двигателей при помощи современных преобразователей частоты // Комплексное обеспечение региональной безопасности: сб. тр. - Петропавловск-Камчатский, 2011. - С. 35-38.
4. Портнягин Н.Н., Марченко А.А., Ушакевич А.А. Разработка методов технического диагностирования асинхронного двигателя // Вестник КамчатГТУ. - 2011. - Вып. 18. - С. 29-32.
СГ БК
СЕТЬ
Рис. 7. Схема с электромашинным преобразователем: ТП - тиристорный преобразователь, ДПТ - двигатель
постоянного тока, СГ - синхронный генератор, БК - блок коммутации, АД - асинхронный двигатель
