CC BY
41
ВЛИЯНИЕ ИСКАЖЕНИЯ СИММЕТРИИ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ НА РЕЖИМЫ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
© Романова В.В.*, Дейс Д.А.*, Хромов С.В.¥
Забайкальский государственный университет, г. Чита
Данная статья посвящена исследованию работы асинхронного двигателя мощностью 5,5 кВт в условиях несимметрии линейных напряжений питающей сети, проведено имитационное моделирование режимов работы АД в условиях изменяющегося коэффициента несимметрии обратной последовательности линейных напряжений от 0 до 8 %, приведены зависимости вращающего момента и токов в фазах асинхронного двигателя. Представлены соответствующие выводы.
Ключевые слова имитационное моделирование в среде МайаЬ Simulink, несимметрия напряжений, асинхронный двигатель.
Введение
В настоящее время область применения трехфазных асинхронных двигателей (АД) переменного тока достаточно широка, они получили преимущественное распространение в большинстве механизмов, применяемых для приводов различного рода вентиляторов, насосов, конвейеров, дымососов и т.д. Это обусловлено, прежде всего, простотой их конструкции, высокой надежностью, низкой стоимостью, удобством в эксплуатации и минимальными эксплуатационными расходами.
Наиболее часто, в электрическом приводе, не требующем широкого регулирования скорости вращения, используются именно асинхронные двигатели, что приводит к уменьшению себестоимости продукции и услуг по сравнению с другими видами первичного двигателя.
Таким образом, режим работы АД определяет, в первую очередь, режим работы всего объекта, имеющего в своем составе электропривод с первичным асинхронным двигателем. Это свидетельствует о том, что для бесперебойного режима работы всего объекта в целом необходимо обеспечить безостановочную работу АД. Соответственно, при выходе из строя АД неизбежно произойдёт нарушение режима работы всего объекта.
Одной из основных причин выхода из строя асинхронных двигателей является несимметрия питающего напряжения. Поэтому есть необходимость
* Аспирант кафедры «Электроэнергетики и электротехники» энергетического факультета.
* Заведующий кафедрой «Электроэнергетики и электротехники» энергетического факультета, кандидат технических наук, доцент.
" Аспирант кафедры «Электроэнергетики и электротехники» энергетического факультета.
провести исследования влияния несимметрии питания на режимы работы асинхронного двигателя.
Постановка задачи
Основной целью работы является исследование влияния качества питающего напряжения на процесс работы электромеханической системы АД, на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, методом компьютерного моделирования.
Исследование рационально проводить в наглядном и эффективном средстве имитационного моделирования Simulink интерактивной среды программирования Ма^аЬ.
Для исследования режимов работы асинхронного двигателя предлагается рассмотреть схему, состоящую из трёх однофазных источников электрической энергии, асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором марки 4A132S4Y3 с Рн = 5,5 кВт, блоков для измерения основных параметров двигателя, осциллографов для измерения тока, напряжения, момента и скорости.
Компьютерное моделирование прямого пуска АД типа 4A132S4Y3 проведено при питании трёхфазным напряжением 380 В с частотой 50 Гц, при номинальной нагрузке на валу двигателя.
Параметры асинхронного двигателя приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры асинхронного двигателя 4A132S4Y3
Р, кВт Номинальная частота вращения, об/мин П соsф Кмп Кп
5,5 1500 0,855 0,85 2 7
При расчёте параметров схемы замещения асинхронного двигателя значения параметров асинхронного двигателя частично берутся из паспортных данных двигателя, а частично рассчитываются на основании этих данных. По известным паспортным данным АД и параметрам Г-образной схемы замещения рассчитываются параметры Т-образной схемы замещения в режиме короткого замыкания.
Для расчёта параметров используем алгоритмы, приведенные в источниках [1, 8].
В полученной имитационной модели имеется возможность исследования переходных процессов в асинхронном двигателе, снятия рабочих и искусственных механических характеристик, напряжения и частоты питающей сети.
Результаты моделирования
Схема моделирования, сформированная средствами имитационного моделирования в среде МайаЬ Simulink, представлена на рис. 1.
С использованием разработанной модели и алгоритма расчёта входных параметров, был исследован рассматриваемый асинхронный двигатель при появлении несимметрии линейных напряжений источника питания.
Рис. 1. Структура модели для исследования режимов работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
Как известно, несимметрию напряжений в соответствии с ГОСТ 32144-2013 [2] характеризуют следующие показатели качества электрической энергии:
- коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности к2и, %;
- коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности ко„ %.
Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии по обратной и нулевой последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2 и 4 % соответственно.
Для трёхфазных электроприёмников, в частности, таких как АД, особое значение имеет напряжение обратной последовательности по причине мень-
шего сопротивления обратной последовательности по сравнению с прямой последовательностью. Кроме того, напряжение обратной последовательности вызывает появление вращающего момента [3], направленного навстречу основному и, таким образом, являющегося тормозным.
Необходимо учесть, что напряжение обратной последовательности характеризуется таким показателем, как коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности k2u. Соответственно даже малое значение k2u может вызывать значительное изменение токов в АД.
Значение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности k2u, определяется в процентах по выражению:
k2u = (U12 / U11) * 100 %,
где U12 и U11 - соответственно напряжения обратной и прямой последовательностей основной частоты трехфазной системы напряжений.
Исследования влияния несимметрии питания на режимы работы асинхронного двигателя производились для случая изменения коэффициента несимметрии обратной последовательности линейных напряжений от 0 до 8 % в установившемся режиме работы АД. Все результаты исследования обобщены в табл. 2.
Анализируя приведенные в табл. 2 данные можно сделать вывод, что:
1. при повышении k2u явно видно снижение механического момента на валу АД;
2. нет ярко выраженной зависимости по изменению скорости, при повышении k2u;
3. токи по фазам зависят от k2u, особенно это видно на фазе С, где при значении k2u = 8 %, ток снизился до 34 % от 1ном, а на двух других фазах произошло повышение тока в 1,5 раза, соответственно, 1А = 156 % от 1ном, IB = 152 % от 1ном.
Таблица 2
Результаты моделирования
Линейные Фазные Фазные токи, k2u,
напряжения, В напряжения, В А о о о Момент М, Н*м Скорость n, об/м
Uab Uac Ubc Ua Ub Uc Ia Ib Ic % ü 1 m ü ■§• S с )" о ^ ^ g ü
379,7 379,9 379,8 219,3 219,2 219,3 10,8 10,8 10,8 0 100 100 100 36,34 1461
383,3 378,2 378 221,5 221,3 215,1 11,71 11,59 10,22 1 108,42 107,31 94,62 32,55 1468
387,2 376,3 376,1 223,6 223,5 210,7 12,33 12,15 9,22 2 114,16 112,5 85,37 28,67 1468
390,9 374,5 374,3 225,8 225,7 206,4 12,99 12,76 8,22 3 120,27 118,14 76,14 25,12 1464
394,6 372,8 372,5 228 227,9 202 13,7 13,43 7,27 4 126,85 124,35 67,37 23,97 1470
398,4 371 370,7 230,2 230 197,6 14,45 14,14 6,3 5 133,79 130,92 58,407 16,96 1456
402,2 369,2 369 232,4 232,2 193,2 15,23 14,89 5,33 6 141,01 137,87 49,39 15,06 1479
406 367,5 367,3 234,6 234,4 188,8 16,04 15,66 4,37 7 148,51 145 40,52 11,59 1455
410,1 365,6 365,6 236,8 236,8 184,3 16,88 16,46 3,42 8 156,29 152,40 31,74 7,83 1461
Основной вид изменения вращающего момента АД, при пуске и во время установившегося режима, при различных значениях к2и представлен на рис. 2, 3.
Графики (рис. 2, 3) отображают зависимость электромагнитного момента двигателя от времени моделирования.
Рис. 2. Динамическая характеристика вращающего момента АД в зависимости от времени, при к2и = 0 %
Рис. 3. Динамическая характеристика вращающего момента АД в зависимости от времени, при к2и = 2 %
Основной вид изменения токов в фазах АД, при различных значениях к2и, представлен на рис. 4, 5.
Рис. 4. Динамическая характеристика токов в фазах АД в зависимости от времени, при к2и = 0 %, где а) ток в фазе А; б) ток в фазе В; в) ток в фазе С
Рис. 5. Динамическая характеристика токов в фазах АД в зависимости от времени, при к2и = 2 %, где а) ток в фазе А; б) ток в фазе В; в) ток в фазе С
Полученные характеристики (рис. 2, 3, 4, 5) свидетельствуют, что наличие несимметрии питающего напряжения оказывает существенное влияние на параметры, определяющие режимы работы асинхронного двигателя.
Далее приведены графики изменения вращающего момента и токов в фазах АД, при различных значениях к2и.
Основной вид изменения вращающего момента АД, при различных значениях к2и (0-8 %), представлен на рис. 6.
Рис. 6. Зависимость вращающего момента АД, при различных значениях к2и
Основной вид изменения токов в фазах АД, при различных значениях к2и (0-8 %), представлен на рис. 7.
Рис. 7. Зависимость токов в фазах АД в (%) к 1ном от к2и В результате компьютерного моделирования было установлено, что:
1) несимметрия питающего напряжения приводит к снижению вращающего момента двигателя по линейному закону, ухудшая тем самым производственные характеристики АД и приводя к недопустимому нарушению и возможной остановке технологического процесса, в котором участвует данный двигатель;
2) несимметрия питающего напряжения приводит к несимметрии токов в фазах двигателя, а, следовательно, к повышению потерь в статоре и роторе. Для интерпретации полученных результатов сравним токи в фазах с номинальным током АД. Так при значении к^ = 2 % происходит превышение тока по двум фазам более чем на 10 %. На третьей фазе наблюдается снижение тока на 15 %. При значении к^ = 4 % происходит превышение тока по двум фазам свыше 20 %. На третьей фазе наблюдается снижение тока на 33 %. При значении к^ = 8 % происходит превышение тока по двум фазам свыше 50 %. На третьей фазе наблюдается снижение тока на 69 %. Зависимость токов в фазах АД от к^ имеет линейный характер. Очевидно, что при таком режиме работы АД может перегреться и выйти из строя. При дальнейшем повышении к2и будет наблюдаться повышение токов в фазах двигателя, что может привести к опасной ситуации.
Заключение
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что данная компьютерная модель может использоваться при исследовании влияния качества питающего напряжения на режимы работы асинхронных двигателей, кроме того и при рассмотрении переходных процессов в режимах, связанных с нарушением симметрии. Результаты моделирования показали, что искажение симметрии питания, в частности, превышение по к2и оказывает существенное влияние на работу АД, что может привести к сокращению срока службы и к выходу из строя двигателя. Очевидно, что для трехфазных асинхронных двигателей переменного тока, необходим как мониторинг, так и контроль по основным ПКЭ в режиме реального времени для осуществления их бесперебойной работы.
Список литературы:
1. Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК / С.Г. Герман-Галкин, Г.А. Кардонов. - СПб.: Корона-принт, 2003. - 256 а
2. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Стандартинформ, 2014. - 19 с.
3. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин / И.П. Копылов. - М.: Высшая школа, 2001. - 327 с.
4. Кравчик А.Э., Соболенская Е.А. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, Е.А. Соболенская. - М.: Энергоиздат, 1982.
5. Материалы по продуктам MATLAB &Toolboxes [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://matlab.exponenta.ru/ (дата обращения: 29.11.15).
6. Радин В.И., Брускин Д.Э., Зорохович А.Е. Электрические машины: асинхронные машины / В.И. Радин, Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович; под ред. И.П. Копылова. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
7. Суднова В.В. Качество электрической энергии / В.В. Суднова. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2000.- 80 с.
8. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MAT-LAB, SimPowerSystems и Simulink / И.В. Черных. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
