Экспериментальные исследования процесса искусственного нагружения судовых асинхронных электродвигателей

УДК 621.313.333 + 629.5

А.А. Марченко, С.Ю. Труднев

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИСКУССТВЕННОГО НАГРУЖЕНИЯ СУДОВЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В данной статье представлены результаты экспериментов по нагружению асинхронных электродвигателей в реальных условиях.

Авторами были разработаны компьютерные модели, адекватность которых была проверена в номинальном режиме путем сравнения параметров модели и номинальных параметров электродвигателя, представленных в паспортных данных. Проблема компьютерного моделирования заключается в отсутствии возможности учета всех электромеханических процессов электрической машины, одним из которых является рекуперация электрической энергии. Для получения уточненных параметров процесса искусственного нагружения была спроектирована и собрана лабораторная установка с возможностью отдачи электрической энергии в сеть.

Экспериментальные исследования процесса искусственного нагружения подтверждают получение тока и момента асинхронного электродвигателя, равных номинальным значениям, что свидетельствует о возможности проводить испытания без механической нагрузки на валу машины.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, мощность, режим противовключения, номинальный ток, рекуперативное торможение, момент, коммутация, частота напряжения.

A.A. Marchencko, S.Y. Trudnev

PILOT STUDIES ON THE PROCESS OF ARTIFICIAL LOADING OF SHIP INDUCTION MOTORS

The results of experiments to load induction motors under operational conditions are presented in this article.

The authors have developed computer models. Their adequacy has been checked under the nominal conditions by the comparison of the model parameters and electric motor ratings. The problem of computer modeling is the lack of possibility to account all electromechanical processes of the electrical machine, one of which is the recovery of electric energy. For obtaining the specified parameters of the process of artificial loading the laboratory machine which is suitable for transmitting electric power to the mains has been designed and assembled.

Pilot studies of the process of artificial loading confirm obtaining current and torque of the induction motor which are equal to the ratings. It demonstrates the possibility to carry out tests without mechanical loading on the machine shaft.

Key words: induction motor, power, reverse mode, rated current, regenerative braking, torque, switching, frequency.

DOI: 10.17217/2079-0333-2016-38-16-22

Одним из этапов процесса диагностирования технического состояния электрических машин является испытание асинхронных электродвигателей после ремонта. В настоящее время испытание электрических машин является важной задачей, так как введение этого этапа в программу диагностирования технического состояния позволяет получить полную оценку технического состояния электрических машин.

В настоящее время на крупных судоремонтных предприятиях используются специальные станции для испытаний электрических машин. Эти многофункциональные устройства не получили распространения в судоремонтных цехах небольших предприятий из-за высокой стоимости. В данных условиях чаще всего используются стенды с ограниченными возможностями, позволяющие проводить испытания электродвигателей только на холостом ходу. Работа электродвигателя в составе электропривода отличается возникновением нагрузочного тока и момента, поэтому проверка электрических машин под нагрузкой в лабораторных условиях позволяет определить параметры работы машины без риска возникновения неисправности на судне [1].

Разнообразие электродвигателей требует использования сложного оборудования для испытаний машин, а специализированные диагностические стенды не нашли применения из-за высокой стоимости и сложности в эксплуатации. В настоящее время необходимо упрощение процесса нагружения, что повлечет за собой снижение стоимости такого оборудования. Улучшение надежности системы возможно получить путем перехода от механического соединения электродвигателя и стенда к электрическому.

Возможным решением является применение частотных методов диагностирования электродвигателей переменного тока. Известно, что изменение частоты питающего напряжения асинхронного электродвигателя напрямую влияет на его скорость, в то же время резкое снижение частоты приводит к возникновению обратного момента, который является эквивалентом нагрузочного [2].

Для подтверждения данной теории проводились исследования при помощи моделирования разработанной системы в Sympower systems [3]. Компьютерные модели проходили проверку на соответствие номинальным режимам работы. Для этого проводилось сравнение полученных и паспортных параметров моделируемых машин. Для более точного подтверждения представленной гипотезы проводилось сравнение некоторых параметров процесса нагружения на компьютерных моделях и реальных установках.

Проверка электродвигателей в реальных условиях предполагает разработку лабораторного стенда и получение экспериментального подтверждения предложенного метода искусственного нагружения АД [4].

На рис. 1 представлена структурная схема стенда для испытаний асинхронных электродвигателей.

Рис. 1. Структурная схема стенда для испытаний асинхронных электродвигателей

Для измерения параметров процесса испытаний АД использована измерительная система испытательного стенда с системой датчиков и передачей сигнала к коммутатору. Для получения результатов анализа измерений предусмотрено применение ЭВМ с АЦП и ЦАП.

На рис. 2 приведена фотография экспериментального стенда с применением частотного преобразователя.

В представленной модели применен частотный преобразователь ИУ714015Р мощностью 3 кВт без возможности рекуперации электрической энергии (рис. 2).

Рис. 2. Экспериментальный стенд для искусственного нагружения АД: 1 - преобразователь частоты;

2 - блок коммутации; 3 - блок управления;

4 - асинхронный электродвигатель

Данная схема имеет достаточно высокий КПД и степень надежности из -за отсутствия механических соединений. В качестве датчиков используется цифровой осциллограф с подключением к ПК. Основной проблемой является затрудненность оценки отдаваемой в сеть электрической энергии при рекуперации [5]. Данный способ испытаний основан на изменении частоты питающего напряжения и введении электродвигателя в циклический динамический режим. При сбросе частоты вращения электродвигателя возникает процесс рекуперативного торможения с отдачей электрической энергии в сеть, для оценки которой требуется построение соответствующей компьютерной модели. В процессе исследований выяснилось, что построение модели, соответствующей стенду с электронным преобразователем, затруднительно, поэтому для оценки отдаваемой в сеть энергии была составлена модель с применением «электромашинного преобразователя». Для подтверждения эффективности предлагаемого метода на реальной установке была использована система, схема которой изображена на рис. 3.

тп

дпт ^

СГ БК

СЕТЬ

АД

Рис. 3. Структурная схема установки: ТП - тиристорный преобразователь; ДПТ - двигатель постоянного тока; СГ - синхронный генератор; БК - блок коммутации; АД - асинхронный двигатель

Для оценки отдаваемой в сеть энергии была составлена модель с применением «электромашинного преобразователя», поэтому для подтверждения эффективности предлагаемого метода на реальной установке была использована принципиальная схема, которая изображена на рис. 4.

Рис.4. Схема для проведения эксперимента

В табл. 1 приведены обозначения, наименования и параметры элементов лабораторной установки.

Таблица 1

Параметры экспериментальной установки

Обозначение Наименование Параметры

G1 Трехфазный источник питания ~400 В/6 А

G2 Источник питания двигателя постоянного тока -0...250 В / 3 А

G3 Возбудитель синхронной машины -0...40 В / 3,5 А

G5 Преобразователь угловых перемещений 6 вых. каналов / 2500 импульсов за один оборот вала

G6 Машина переменного тока 100 Вт /~ 230 В / 1500 мин-1

М2 Машина постоянного тока 90 Вт / 220 В / 0,56 А

А6 Трехполюсный выключатель ~ 400 В / 10 А

DO Цифровой ШВ-осциллограф АКИП Частотный диапазон: 0,001 Гц...100 кГц Погрешность ±0,01 Гц Максимальная амплитуда измеряемого напряжения 20 В

АМ Асинхронный электродвигатель

При помощи источника питания двигателя постоянного тока G2 изменяется напряжение якоря машины постоянного тока М2 и ее частота вращения, а также частота вращения машины переменного тока G6, происходит изменение частоты напряжения. При помощи возбудителя синхронной машины G3 выставляются параметры напряжения машины переменного тока G6 в генераторном режиме. Переключение асинхронного электродвигателя AM с трехфазного источника питания G1 на машину переменного тока G6 производится последовательной работой трехполюсных выключателей А6.

Основным недостатком данного способа является двойное преобразование энергии (переменного тока в постоянный ток, затем в переменный ток регулируемый), что приводит к потерям и снижает КПД системы, возрастают массогабаритные показатели системы, возникает шум и механическая инерционность. Этих недостатков лишены статические преобразователи.

По этим причинам приведенная схема не претендует на промышленный образец, но обладает возможностями, которых нет у полупроводниковых статических преобразователей, главный из которых - простота конструкции, что делает очевидным выбор в пользу системы с использованием электромашинного преобразователя в рамках экспериментального этапа исследования.

Для проверки адекватности созданных в данной работе математических моделей представлены некоторые из результатов моделирования (рис. 5).

и, в

3000 2000

- 1000 - 2000 - 3000

\АААЛЛАААЛА

0,4 0,5

0,6 0,7 0,8

1,1 1,2

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 450,0 500,0

и, в

10,0 В

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 450,0 500,0

Рис. 5. Результаты проведения эксперимента при помощи: а - компьютерного моделирования; б - электронного ПЧ; в - «электромашинного» ПЧ

t. с

0,9

а

и, в

10,0 В

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

2,0

4,0

6,0

т, мс

б

8,0

6,0

4,0

6,0

т, мс

в

В момент времени 0,6 с происходит переключение источников питающего напряжения с частоты 50 Гц на источник с частотой 25 Гц.

Наложение двух синусоидальных сигналов происходит на участке приблизительно от 0,6 до 0,85 с, что соответствует длительности переходного процесса около 0,25 с. Далее сигнал принимает форму синусоидального с устанавливающейся частотой 25 Гц.

Небольшое отличие в длительностях переходных процессов и амплитуды напряжения обусловлено неточным регулированием скорости при изменении напряжения на обмотке возбуждения двигателя постоянного тока.

Спарка (электромашинный преобразователь частоты ПЧ) содержит двигатель постоянного тока и синхронный генератор, сочлененные валами с помощью муфты, а также тахогенератор и клеммные колодки.

Некоторые результаты эксперимента, записанные при помощи цифрового осциллографа, представлены на рис. 5, б, в.

В результате проведения эксперимента получены осциллограммы напряжений в процессе ИН при помощи двух видов экспериментальных стендов. Осциллограммы, полученные в ходе натурного эксперимента, весьма схожи с осциллограммами компьютерного эксперимента и имеют максимальный разброс в 20% на участках от 0,11 с до 0,29 с.

Длительность одного цикла процесса нагружения на стенде с использованием «электромашинного» преобразователя частоты совпадает с компьютерным экспериментом. Небольшое отличие амплитуд напряжений до и после коммутации объясняется неучтенными механическими потерями при использовании нескольких соединенных между собой электрических машин. Отличие осциллограмм на рис. 5, а, б обусловлено наличием свойств рекуперации у стенда, схема которого приведена на рис. 1. Полученные результаты свидетельствуют о соответствии работы компьютерной модели реальным процессам нагружения асинхронных двигателей, то есть об адекватности модели реальным физическим процессам.

В результате проведения экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. Для подтверждения адекватности компьютерной модели процесса нагружения электродвигателя переменного тока был спроектирован и создан экспериментальный стенд с использованием полупроводникового преобразователя частоты и компьютеризированного измерительного оборудования. После монтажа разработанного стенда проведены натурные эксперименты по нагружению АД типа 4А80А4.

2. Так как установленный полупроводниковый преобразователь частоты не позволяет осуществлять рекуперацию электрической энергии в сеть, то результаты экспериментов несколько отличаются от результатов моделирования.

В частности, цикл процесса ИН АД более длителен и отличается примерно на 0,5 с, что составляет около 18% от его общей продолжительности.

3. С целью учета отдаваемой в сеть энергии в процессе рекуперативного торможения процесса ИН АД в лаборатории кафедры «Электрооборудование и радиооборудование судов» Кам-чатГТУ была разработана и собрана установка для испытаний АД.

Схема использует преобразователь частоты, выполненный при помощи двигателя постоянного тока и синхронного генератора на одном валу; для управления преобразователя был использован возбудитель синхронной машины и источник питания двигателя постоянного тока.

В результате экспериментов получены результаты, более близкие к результатам компьютерного моделирования. Различие в длительности процесса составляет примерно 12%.

Литература

1. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТЬАБ 6.0: учеб. пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - С. 233-239.

2. Вольдек А.И. Электрические машины: учеб. для высш. техн. заведений. - 3-е изд. - Л.: Энергия, 1978. - С. 510-514.

3. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Исследование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 1-2. -С.408-412.

4. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Энергоэффективное нагружение асинхронных электродвигателей в процессе послеремонтных испытаний // Вестник Гос. ун-та морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. - СПб.: ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова, 2014. -Вып. 6. - С. 76-84.

5. Марченко А.А., Онищенко О.А., Труднее С.Ю. Исследование модели асинхронного электродвигателя на возможность нагружения при помощи понижения частоты питающего напряжения // Вестник КамчатГТУ. - Петропавловск-Камчатский, 2014. - Вып. 29. - С. 17-24.

Информация об авторах Information about authors

Марченко Алексей Александрович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; старший преподаватель кафедры электро- и радиооборудования судов; Marchencko29@mail.ru

Marchencko Aleksey Aleksandrovich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropav-lovsk-Kamchatsky; Senior Lecturer of Electrical and Radio Equipment of Ships Chair; Marchencko29@mail.ru

Труднев Сергей Юрьевич - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; и. о. декана мореходного факультета; trudnev@mail.ru

Trudnev Sergey Yurevich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsky; Acting Dean of Maritime Department; trudnev@mail.ru