Определение диапазона номинальной мощности электродвигателей при испытаниях методом динамического нагружения

Электротехнические комплексы и системы

Относительная погрешность полученного результата составляет 5,1%, что в задачах количественного определения степени развития дефекта является достаточным.

Заключение

На основе проведенного исследования показана практическая возможность количественной оценки степени развития дефектов погружного электрооборудования с использованием полученных аналитических зависимостей между показателями вейвлетпреобразования и среднеквадратическим значением виброскорости. Построенные с помощью преобразования Карунена - Лоэва линейные многообразия позволяют с высокой точностью рассчитывать среднеквадратические значения виброскорости, которые используются в большинстве отраслевых стандартов в качестве критерия изношенности погружного электрооборудования.

Список литературы

1. Ефанов В.Н. Вибрационная диагностика погружного электрооборудования с применением аппарата непрерывного вейвлет-преобразования [Текст] / В.Н. Ефанов, А.Н. Китабов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2013. № 6. - С. 56-62.

2. Яковлев А.Н. Введение в вейвлет-преобразования: Учеб. пособие [Текст]. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 104 с.

3. Gorban A.N., Kegl B., Wunsch D., Zinovyev A.Y. (Eds.), Principal Manifolds for Data Visualisation and Dimension Reduction, Series: Lecture Notes in Computational Science and Engineering 58, Springer, Berlin - Heidelberg - New York, 2007, XXIV, 340 p.

References

1. Efanov V.N. Vibracionnaja diagnostika pogruzhnogo elektrooborudovanija s primeneniem apparata nepreryvnogo vejvlet-preobrazovanija [Tekst] / V.N. Efanov, A.N. Kitabov // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika. - 2013. - № 6. -S. 56-62.

2. Jakovlev A.N. Vvedenie v vejvlet-preobrazova-nija: Ucheb. posobie [Tekst]. - Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2003. - 104 s.

3. Gorban A.N., Kegl B., Wunsch D., Zinovyev A.Y. (Eds.), Principal Manifolds for Data Visualisation and Dimension Reduction, Series: Lecture Notes in Computational Science and Engineering 58, Springer, Berlin - Heidelberg - New York, 2007, XXIV, 340 p.

Марченко А.А.

Marchenko А.А.

аспирант, старший преподаватель кафедры «Электрооборудование и радиооборудование судов»

ФГБОУ ВПО «Камчатский государственный технический университет», Россия, г. Петропавловск-Камчатский

УДК 621.313

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАПАЗОНА НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ Испытаниях МЕТОдОМ

динамического нагружения

Данная статья направлена на решения проблемы испытания электрических машин после ремонта. При помощи рассматриваемого метода предполагается нагрузить асинхронный двигатель тормозным электромеханическим моментом без использования механической нагрузки на валу. Автором представлены результаты по нагружению электродвигателя данным способом, полученные при моделировании системы в программе Matlab. После получения положительных результатов при испытаниях электродвигателя небольшой мощности были проведены эксперименты на асинхронных электродвигателях серии 4А.

38

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 10, 2014

Electrical facilities and systems

Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о получении эквивалентной механической мощности на валу электродвигателя порядка 25-30% от номинальной, о возможности испытания под нагрузкой без применения нагрузочных устройств данным способом только электродвигателей небольшой мощности. Также в статье даются рекомендации по испытаниям электрических машин мощностью более 3 кВт с применением делителей частоты.

Кроме того, данный метод позволяет сохранить часть запасенной энергии, но применение обратимых полупроводниковых преобразователей может быть неоправданным. После реализации способ позволит создать стенды для испытания электрических машин нового поколения.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, динамическое нагружение, рекуперативное торможение, генераторный режим, механическая мощность, момент, коммутация, частота сети.

DETERMINATION OF RANGE OF RATED POWER OF ELECTRIC MOTORS AT TESTS BY THE METHOD OF DYNAMIC LOADING

This article is directed on solutions of the problem of test of electric machines after repair. By means of a considered method it is supposed to load the asynchronous engine with the brake electromechanical moment without use of mechanical loading on a shaft. The author presented results on electric motor loading by this way, the systems received at modeling in the Matlab. After receiving positive results at tests of the electric motor of small power, experiments on asynchronous electric motors of a series 4A were made.

The made experiments allow to draw a conclusion on obtaining equivalent mechanical power on an electric motor shaft about 25-30% from nominal, on possibility of test under loading without use of load devices by this way only electric motors of small power. Also in article recommendations about tests of electric cars with power more than 3 kW with application of dividers of frequency are made.

Besides, this method allows to keep part of the reserved energy, but use of reversible semiconductor converters can be unjustified. After realization the way will allow to create stands for test of electric machines of new generation.

Key words: asynchronous engine, dynamic loading, recuperative braking, generating mode, mechanical power, moment, switching, network frequency.

Так как электрические машины имеют большой срок службы, ясно, что число электродвигателей, подвергающихся ремонту, намного выше числа электродвигателей, выпускаемых промышленностью. В то же время характеристики электродвигателей, подвергающихся ремонту, существенно отличаются от характеристик новых машин и являются усредненными. Технический уровень ремонтных предприятий значительно ниже заводов-изготовителей [1]. Это приводит к тому, что даже после проведения обязательных испытательных мероприятий повторный выход из строя отремонтированной машины является нередким явлением.

Наиболее полную картину совместно с обязательными мерами контроля состояния электрических машин могут дать испытания машины под нагрузкой. Очевидно, что такие операции, как, например, измерение уровня вибрации или состояния подшипников, лучше измерять в условиях, соответствующих их эксплуатационным условиям, а именно под нагрузкой [2].

Момент на валу электрической машины можно изменять при помощи изменения частоты питающего напряжения; на длительном промежутке времени

при помощи интегрирования мгновенных значений механического момента можно оценить среднюю механическую мощность на валу. Данный способ позволит создать эквивалент механической нагрузки без применения дополнительных устройств.

Целью работы является создание режима работы электродвигателя, максимально схожего с режимом эксплуатации, а именно создание максимальной механической мощности на валу машины.

В этой ситуации компьютерное моделирование рассматриваемых процессов позволяет выбрать и оценить величины параметров: частоты, времени переходного процесса, биений и т. п.

Эффективным решением при схемотехнической реализации может оказаться решение с понижением частоты питания асинхронного двигателя, что требует разработки обратимого частотного преобразователя, питающегося от сети 50 Гц, для взаимного обмена электрической энергией соответствующего качества между сетью и электрической машиной или двух односторонних преобразователей с цепями коммутации, управляемых микропроцессором.

Для подтверждения эффективности предлагае-

Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 10, 2014

39

Электротехнические комплексы и системы

мого метода на лабораторной установке была использована система, изображенная на рисунке 1. Данная схема позволяет избежать использования обратимых преобразователей, что значительно упрощает схему. Схема представляет собой два источника с разными частотами напряжения, преобразователь имеет частоту напряжения более 50 Гц (порядка 5860 Гц, что соответствует условиям конструктивной надежности электрической машины), понижение частоты выполняется переключением питания на сеть 50 Гц при помощи блока коммутации. Далее электродвигатель переходит в генераторный режим.

На рисунке использовались следующие обозначения: ПЧ - преобразователь частоты, БК - блок коммутации, АД - асинхронный двигатель.

Рис. 1. Схема для проведения эксперимента

По изменению напряжения статора электродвигателя, момента на валу и изменению скорости вращения можно судить о времени протекания переходного процесса. Далее при циклическом переключении частот напряжения система работает по схеме генераторный режим - двигательный режим и т. д. В обоих режимах на валу возникает момент, а следовательно на длительном промежутке времени становится возможным измерить среднее значение мощности. Открытым остается вопрос о возможности создания мощности, достаточной для динамического нагружения машины.

Перед проведением эксперимента в реальных условиях предлагаемая модель была спроектирована в программе Matlab [3]. Полученный график изменения момента электродвигателя представлен на рисунке 2.

Метод испытаний электрических машин предусматривает циклический перевод электродвигателя в режим генератора, поэтому рассматриваются колебания момента за один цикл [4]. На графике видно, что изменения момента наблюдаются в начальный момент времени от 0 до 0,15 с. при разгоне машины. Затем электродвигатель переходит в генераторный режим от 0,22 до 0,45 с., что сопровождается отрицательными значениями момента. На рисунке 3 этот режим сопровождается уменьшением скорости вследствие рекуперативного торможения.

Рис. 2. Момент электродвигателя

40

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 10, 2014

Electrical facilities and systems

Рис. 3. Скорость электродвигателя

Двигатель переходит в кратковременный генераторный режим на участке от 0,25 до 0,35 секунды, затем происходит разгон электродвигателя при подключении к сети напряжением 60 Гц на участке от 0,35 до 0,45 секунды.

Результатом работы является расчет средней механической мощности [5] на валу электродвигателя мощностью 3 кВт, полученный путем интегрирования произведения скорости и момента без учета знака на участке от 0,25 до 0,45 секунды.

Рис. 4. Полная механическая мощность на валу электродвигателя

Из графика на рисунке 4 видно, что путем динамического нагружения электродвигателя был получен эквивалент механической мощности на валу машины около 430 Вт, что составляет 14% от номинальной мощности. Далее в рамках испытаний электрических машин после ремонта планируется циклическое переключение частоты питающего напряжения, следовательно полученные результаты средней мощности на валу за один период не изменятся за весь цикл.

Наряду с возможностью получения максималь-

ного механического момента на валу электродвигателя целью проведения эксперимента являлось также определение наиболее оптимальной схемы устройства. Открытым оставался вопрос о возможности возврата части запасенной электрической энергии электродвигателя обратно в сеть. Для этого была найдена суммарная средняя мощность, потраченная на вращение машины. Мощность с обратным знаком при измерениях не учитывалась. Результаты представлены на рисунке 5. Средняя мощность, затраченная на вращение, составляет

Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 10, 2014

41

Электротехнические комплексы и системы

300 Вт, следовательно 130 Вт было отдано в сеть в результате рекуперации, что составляет 43,5% от полученной механической мощности на валу в результате испытаний. Можно сказать, что почти половина энергии возвращается обратно в сеть, но в то же время 14% от номинальной мощности может оказаться слишком мало для испытаний машин

под нагрузкой.

В рамках исследования для определения целесообразности данного метода испытаниям подверглись несколько электродвигателей серии 4А.

На рисунке 6 представлены результаты по определению нагрузочной мощности на валу электродвигателей при испытаниях.

Рис. 5. Механическая мощность, затраченная на вращение

Здесь по оси абсцисс мощность нагрузки, полученная при динамическом нагружении. По оси ординат мощность испытуемого электродвигателя серии 4А. Из графика видно, что значение мощности нагрузки изменяется незначительно от 1 до 3 кВт, а для электродвигателей менее 1 кВт имеется

резкое снижение. Эффективный процесс нагружения может быть получен только при значительной мощности нагрузки в процентном соотношении от номинальной мощности машины. Другими словами, нагружение электродвигателей таким способом может быть осуществлено, это наглядно продемон-

42

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 10, 2014

Electrical facilities and systems

Рис. 7. Результаты испытаний электродвигателей серии 4А

стрировано на рисунке 7. Здесь по оси абсцисс мощность нагрузки в процентах от номинальной мощности, полученная при динамическом нагружении. По оси ординат мощность испытуемого электродвигателя серии 4А.

Из диаграммы видно, что механический момент на валу электродвигателя увеличивается с уменьшением мощности машины. Нагрузочная мощность около 20% от номинальной достигается при испытаниях машин менее 1,5 кВт.

Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о возможности испытания под нагрузкой без применения нагрузочных устройств только электродвигателей небольшой мощности.

Кроме того, данный метод позволяет сохранить часть запасенной энергии, но применение обратимых полупроводниковых преобразователей может быть неоправданным, так как затраты на установку подобной системы могут быть несопоставимы с реальной экономией электрической энергии при испытаниях электродвигателей небольшой мощности, на которые данный способ рассчитан. Оптимальным может оказаться способ с использованием выпрямительного устройства и аккумулятора для сохранения энергии. Запасенная энергия может быть использована в пределах судоремонтного цеха для испытаний электродвигателей постоянного или переменного тока.

Как видно из диаграммы, нагружение подобным способом становится неэффективным при увеличении мощности испытуемых электродвигателей, в то время как в палубных и грузоподъемных механизмах судов могут применяться электродвигатели более 30 кВт. Открытым остается вопрос о возможности испытаний при помощи динамиче-

ского торможения таких машин. Более того, возврат электрической энергии таких электродвигателей может быть оправданным, экономия в пределах цеха может оказаться существенной и сопоставимой с затратами на обратимые инверторы.

Основной задачей при испытаниях машин мощностью более 3 кВт является получение максимального момента на валу, как положительного, так и отрицательного. Идеальным мог бы быть метод с увеличением повышенной частоты вместо 58 до 100 Гц и более, но конструктивные характеристики машин не позволяют разгона до таких скоростей без механических повреждений. Оптимальным может оказаться способ с уменьшением пониженной частоты в два раза с 50 до 25 Гц, то есть циклические переключения будут происходить с 50 Гц (частота сети) на 25 Гц. Этот способ более приемлемый, так как существует большое количество разнообразных делителей частоты. Применительно к данной системе хорошие результаты могут получиться при использовании делителя на основе схемы Ларионова. Применение IGBT-транзисторов позволит осуществить возврат электрической энергии в сеть.

Список литературы

1. Голдберг О.Д. Испытание электрических машин: учеб. для вузов [Текст] / О.Д. Голдберг; 2-е изд. - М.: Высш.шк., 2000. - C. 164-166.

2. Жерве ГК. Промышленные испытания электрических машин [Текст] / Г.К. Жерве. - 4-е изд. - Л.: Энергоатомиздат, 1984. - С. 351-354

3. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие [Текст] / С.Г. Герман-Галкин. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - C. 233-239.

Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 10, 2014

43

Электротехнические комплексы и системы

4. Марченко А.А. Моделирование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя [Текст] / А. А. Марченко, Н.Н. Портнягин // Соврем. проблемы науки и образования. - Пенза, 2012. - № 6. - С. 125-125.

5. Марченко А.А. Динамическое нагружение асинхронного электродвигателя с использованием генераторного режима [Текст] / А.А. Марченко, Н.Н. Портнягин // Междунар. журн. приклад. и фундам. исслед. - 2012. - № 11. - С. 43.

References

1. Goldberg O.D. Ispytanie elektricheskih mashin: ucheb. dlja vuzov [Tekst] / O.D. Goldberg; 2-e izd. -M.: Vyssh. shk., 2000. - S. 164-166.

2. Zherve G.K. Promyshlennye ispytanija elektricheskih mashin [Tekst] / G.K. Zherve. - 4-e izd. - L.: Energoatomizdat, 1984. - S. 351-354

3. German-Galkin S.G. Komp'juternoe mod-elirovanie poluprovodnikovyh sistem v MATLAB 6.0: uchebnoe posobie [Tekst] / S.G. German-Galkin. - SPb.: KORONA print, 2001. - S. 233-239.

4. Marchenko A.A. Modelirovanie processa din-amicheskogo nagruzhenija asinhronnogo elektrod-vigatelja [Tekst] / A.A. Marchenko, N.N. Portnjagin // Sovrem. problemy nauki i obrazovanija. - Penza, 2012. - № 6. - S. 125-125.

5. Marchenko A.A. Dinamicheskoe nagruzhenie asinhronnogo elektrodvigatelja s ispol'zovaniem genera-tornogo rezhima [Tekst] / A.A. Marchenko, N.N. Portnjagin // Mezhdunar. zhurn. priklad. i fundam. issled. -2012. - № 11. - S. 43.

Фетисов В.С.

Fetisov V.S.

доктор технических наук, профессор кафедры

«Информационноизмерительная техника» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Ахмеров Ш.Р. Akhmerov Sh.R.

аспирант кафедры «Информационноизмерительная техника» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Сизоненко Р.В. Sizonenko R. V.

студент

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Красноперов Р.А. Krasnopyorov R.A.

студент

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

УДК 62-523.8

НАЗЕМНЫЕ СТАНЦИИ ПОДЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

на основе открытых контактных площадок

В статье рассматриваются наземные зарядные станции для подзарядки электрических беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) на основе открытых контактных площадок. Систематизированы все известные технические решения, касающиеся зарядных станций такого типа, при этом выделено несколько критериев их классификации. Описаны некоторые наиболее интересные технические решения.

Представлены две оригинальные разработки авторов - это зарядная станция на основе матриц так на-

44

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 10, 2014