ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут”
Мосьпан Владислав Олександрович
УДК 621.313.004.67:622
КОМПЛЕКС ДИНАМІЧНОГО НАВАНТАЖУВАННЯ ЧАСТОТНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ НАПРУГИ ЖИВЛЕННЯ ДЛЯ ВИПРОБУВАНЬ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ
Спеціальність 05.09.03. Електротехнічні комплекси та системи
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2002
Дисертацією є рукопис
Роботу виконано в Кременчуцькому державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України, на кафедрі систем автоматичного управління і електроприводу
Науковий керівник - доктор технічних наук, професор
Родькин Дмитро Йосипович,
Кременчуцький державний політехнічний університет,
завідувач кафедри систем автоматичного керування і електроприводу, м. Кременчук
Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, ст. наук. співробітник
Мазуренко Леонід Іванович, ІЕД НАН України; провідний науковий співробітник
- кандидат технічних наук, доцент
Закладний Олександр Миколайович, НТУУ “КПІ” кафедра автоматизації управління електротехнічними комплексами, доцент
Провідна установа: Донецький національний технічний університет, кафедра “Електропривод та автоматизація промислових установок”, Міністерство освіти і науки України
Захист відбудеться “ 27 ” червня 2002 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.20 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут", м. Київ, пр. Перемо-ги, 37, Корп. № 22 ауд. № 316
З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці НТУУ “КПІ”,
м. Київ – 56, пр. Перемоги, 37.
Автореферат розісланий “ 27 ” травня 2002 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук Федосенко М.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Провідною задачею випробувань після ремонту є визна-чення реальної навантажувальної здатності електричних машин, яке здійснюється на підставі аналізу теплових процесів в електричній машині під час її випробувать в ре-жимі навантажування. Теоретичне обгрунтування та розробка принципів побудови комплексів динамічного навантажування асинхронних двигунів частотною модуля-цією напруги живлення дозволяє реалізувати ідею створення універсального автома-тизованого випробувального обладнання для дослідження провідних характеристик асинхронних електричних машин, яке забезпечує отримання повного обсягу інфор-мації про машину, що досліджується, при мінімізації технічних, економічних та ча-сових витрат.
Більшість існуючого випробувального обладнання базується на статичних ме-тодах навантаження (Хватов С.В., Кочубієвський І.Д., Котеленець Н.Ф., Кузне- цов Н.Л., Goodman E., Wenger S., Pavlasek F., Pivonka P., Брук А.Г. та ін.) і не задо-вольняє висунутим вимогам, оскільки потребує окремого навантажувального при-строю для кожного типу машин.
Висунутим умовам універсальності, продуктивності та енергетичної ефектив-ності повною мірою відповідають системи динамічного навантажування. Такі систе-ми достатньо повно розроблені для машин постійного струму всіх видів збудження через простоту схемних реалізацій. Враховуючи на те, що в середньому на одну від-ремонтовану машину постійного струму припадає 10 … 25 машин змінного струму, стає очевидною необхідність створення систем динамічного навантажування для ви-пробувань цих машин.
Створення та застосування таких систем дозволить: використовувати в елек-троремонтній практиці найбільш економічне, універсальне, з більшим ступенем автоматизації досліджувальне обладнання; відмовитись від багатомашинних, багато-стендових агрегатів для створення струмового та механічного навантажування.
Зв?язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи входить до тематичного плану Кременчуцького державного політехнічного універ-ситету. Окремі результати роботи отримані при виконанні держбюджетної теми “Дослідження та розробка теорії енергозбереження та енергозберігаючого електро-механічного обладнання”, номер держреєстрації 0199U004066.
Мета та задачі досліджень. Метою роботи є розвиток теорії систем динаміч-ного навантажування асинхронних електричних двигунів, і на її підставі створення-розроблення практичних пристроїв та комплексів для навантажування асинхронних електричних машин, вимірювання параметрів навантажувального режиму та захис-ту, визначення їх техніко-економічних показників в електроремонтній практиці.
Наукові задачі:
-
дослідження енергетичних режимів асинхронних двигунів при модуляції напруги живлення, як метода створення динамічного навантажування;
-
дослідження теплових режимів асинхронного двигуна при динамічному навантажуванні з розподілом втрат в статорному та роторному колах;
-
розроблення системи показників, що характеризують системи динамічного навантажування, як електротехнічний енергозберігаючий комплекс;
-
обгрунтування методу аналізу енергопроцесів в двигуні при частотній мо-дуляції та різних ступенях насичення електротехнічної сталі асинхронної машини;
-
обгрунтування вимог та принципів побудови вимірювальних діагностичних комплексів для дослідження режимів навантажування, оцінки теплових режимів та діагностики параметрів асинхронних двигунів;
-
обгрунтування доцільності використання в системах динамічного наванта-жування частотною модуляцією напруги накопичувачів енергії, як ефективного за-собу зниження негативного впливу на живлячу мережу та інші споживачі;
-
виконати техніко-економічне обгрунтування систем динамічного наванта-жування асинхронних двигунів частотною модуляцією напруги живлення стосовно електроремонтних підприємств.
Об?єкт дослідження – процес динамічного навантажування електричних двигунів.
Предмет дослідження – комплекс динамічного навантажування асинхронних двигунів з частотною модуляцією напруги живлення.
Методи досліджень – спектральний аналіз несинусоїдних сигналів; матема-тичне моделювання енергетичних процесів в системах динамічного навантажуван-ня асинхронних двигунів із використанням їх схем заміщення.
Наукова новизна одержаних результатів.
Наукові положення:
1.
На відміну від існуючого принципу статичного навантажування, повяза-ного із необхідністю агрегування електричної машини, що досліджується, з наванта-жувальним пристроєм, режим динамічного навантажування асинхронних електрич-них двигунів може бути реалізованим періодичною зміною швидкості ідеального холостого ходу при живленні статорних обмоток машини від джерела із змінними параметрами вихідної напруги.
2.
Під впливом експлуатаційних та ремонтних діянь відбуваються незворотні зміни параметрів електротехнічної сталі асинхронного двигуна, які обумовлюють суттєві зміни у його тепловому балансі, без значних змін к.к.д. Діагностика пара-метрів асинхронних двигунів з урахуванням втрат в сталі, без їх розподілу на втрати в статорі та роторі, стає можливою в системах полігармонійного живлення, певним наближенням до яких є системи динамічного навантажування частотною модуля-цією напруги, що належать до складу єдиного вимірювально-діагностичного ком-плексу, який забезпечує одночасне керування процесами навантажування, вимірю-вання та обробки даних експерименту.
Наукові результати:
1.
Вперше сформульовано загальну характеристику динамічних властивостей асинхронного двигуна як системи, що навантажується, яка враховує, що під час пе-ріодичної зміни напруги та частоти, швидкості обертання, в енергетичних процесах бере участь складова, що повязана з динамічною ємністю і залежить від мас, що обертаються. Складено спрощену схему заміщення струмового контуру при дина-мічному навантажуванні асинхронного двигуна з урахування динамічної ємності.
2.
Вперше досліджені принципи використання резонансних властивостей сис-теми динамічного навантажування аиснхронних двигунів для підвищення ефектив-ності процесів навантажування полігармонійною напругою живлення.
3.
Вперше одержано спектральний склад фазних напруг та миттєвої потуж-ності в режимах одночасної та пофазної амплітудної та частотної модуляції, одно-часної частотної маніпуляції та частотної модуляції однієї фази. Доведено можли-вість використання цих режимів для динамічного навантажування.
4.
Вперше виконано моделювання теплових режимів асинхронного двигуна при динамічному навантажуванні частотною, амплітудною та амплітудно-частот-ною модуляцією з розподілом втрат в статорному та роторному колах. Визначено межі доцільності використання кожного режиму та рекомендовані параметри цих режимів.
5.
Уточнені вимоги до джерел частотно-модульованої напруги живлення і запропоновані принципи їх схемних реалізацій.
6.
Вперше запропоновано метод аналізу енергопроцесів в асинхронному двигуні при частотній модуляції для різних ступенів насичення електротехнічної сталі машини.
7.
Вдосконалено вимоги та принципи побудови вимірювально-діагностичних комплексів для дослідження режимів навантажування, оцінки теплових режимів та діагностики параметрів асинхронних двигунів.
8.
Запропоновано принципи застосування в системах динамічного навантажу-вання частотно-модульованою напругою накопичувачів енергії, як ефективного за-собу зниження негативного впливу на мережу живлення та інші споживачі.
9.
Вдосконалено сукупність енергетичних показників, що характеризують си-стеми динамічного навантажування асинхронних двигунів, як електротехнічний енергозбережувальний комплекс.
10.
Здійснено техніко-економічне обгрунтування систем динамічного наванта-жування асинхронних двигунів частотною модуляцією напруги стосовно електро-ремонтних підприємств.
Практичне значення одержаних результатів. Одержані теоретичні ре-зультати можуть бути покладені в основу розроблення сучасних автоматизованих універсальних високоефективних енергоекономічних електротехнічних комплексів для дослідження властивостей асинхронних електричних двигунів та, з їх викорис-танням, - формування економічно та технічно обгрунтованої системи післяремонт-ної паспортизації електричних машин.
Розроблені в дисертації методи і рекомендації впроваджені на електроремон-тному підприємстві “Елемаш” м. Комсомольськ, Полтавської обл., а також в експе-риментальних навчально-дослідницьких комплексах для дослідження параметрів електричних машин в лабораторіях кафедри “Систем автоматизованого керування електроприводами” Вінницького політехнічного університету, лабораторії “Теорії електроприводу” Кременчуцького державного політехнічного університету.
Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисер-таційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співав-торстві, здобувачеві належить: в роботі [2] – систематизація існуючих методів іден-тифікації параметрів асинхронних машин; в роботі [3] – моделювання електромаг-нітних та теплових процесів в асинхронних двигунах при їх динамічному наванта-жуванні модульованою напругою, аналіз результатів моделювання і оцінка ефектив-ності окремих режимів; в роботі [5] – побудова схеми заміщення та дослідження математичної моделі кола намагнічування асинхронного дигуна з урахуванням старіння сталі, розроблення методики визначення втрат в сталі, прийнятної для практики електроремонту; в роботі [7] – побудова математичної моделі перехідних процесів в системі електрична машина – накопичувач енергії; в роботі [8] – аналіз процесів компенсації складових потужності в навантажувальних пристроях з ком-пенсаторами різного роду; в роботі [9] – формулювання загальної характеристики динамічних властивостей асинхронного двигуна, як системи, що навантажується, з урахуванням динамічної ємності, та побудова спрощеної схеми заміщення стру-мового контуру; в роботі [10] – патентний пошук, схемотехнічне рішення, формула винаходу; в роботі [11] – синтез вдосконаленої схеми заміщення фази асинхронного двигуна та математичного апарату, придатних для визначення робочих параметрів двигуна в системах динамічного навантажування; в роботі [12] – аналіз процесів під час випробувань асинхронних двигунів з урахуванням впливу насичення сталі;.
Співавтори робіт [2, 5, 7, 8, 10] брали участь у постановці задач та обговоренні результатів. Науковий керівник роботи приймав участь у формулюванні задач, обговоренні одержаних результатів, можливостей їх практичного застосування і є співавтором публікацій [2, 3, 5, 8, 9, 11, 12].
Апробація результатів дисертації. Окремі результати роботи доповідались: на міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин та технологій”, секція “Енергетика та енергозбереження”, м. Кременчук, 1999 р., на міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин та технологій”, секція “Діагностика електромеханічних систем”, м. Кременчук, 2000 р., на міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин та технологій”, секція “Енергетика та енергозбереження” м. Кременчук, 2001 р, на науково-технічних семінарах кафедри “Систем автоматизованого електроприводу” Кременчуцького державного політехнічного університету.
В цілому робота обговорювалась на засіданні тематичного наукового семінару Кременчуцького державного політехнічного університету.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 наукових праць. З них 9 – у наукових фахових виданнях, 1 – деклараційний патент України на винахід та 2 доповіді на наукових конференціях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п?яти розділів, висновків, списку використаних джерел, трьох додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 224 сторінок тексту, 169 сторінок основної текстової частини, 20 рисунків на окремих сторінках, 3 таблиці на окремих сторін-ках, 106 бібліографічних найменувань на 10 сторінках, три додатки на 27 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми, обгрунтовано важли-вість і актуальність теми дисертації та необхідність проведення дослідження, викла-дено мету роботи та сформульовано основні положення, які виносяться на захист, їх практичне значення та наукову новизну, коротко розкрито зміст дисертації.
У першому розділі зроблено огляд літератури за темою дисертації та подано стислий аналіз сучасного стану проблеми. Проаналізовано недоліки існуючих при-строїв та систем навантажування асинхронних двигунів і визначено, що успішне розв?язання проблеми післяремонтних випробувань асинхронних двигунів вимагає:
-
створення електрообладнання універсального характеру, яке дозволить реа-лізувати необхідні навантажувальні режими;
-
створення діагностичного обладнання, за допомогою якого (на підставі ана-лізу результатів навантажування) можливо одержати необхідні дані про характерис-тики двигунів та їх навантажувальну здатність.
На основі проведенного аналізу вибрано напрям та сформульовано задачі дисертаційного дослідження.
Другий розділ присвячений розглядові питань, що стосуються математично-го опису процесів при частотній модуляції. Аналізуються особливості модуляцій-них процесів в багатофазних електричних колах при різних видах модуляції (амплі-тудній, частотній, амплітудно-частотній, модуляції дискретним сигналом). Зокрема, розглядаються нетипові для класичної теорії модуляції в радіотехніці режими одно-часної та пофазної модуляції трифазної системи напруг. Визначаються найбільш ефективні, з точки зору формування навантажувальних діянь, типи модуляції.
Результати проведених досліджень довели, що ефект динамічного наванта-жування асинхронних двигунів обумовлений виникненням в трифазних колах із полігармонійними струмами та напругами знакозмінної миттєвої потужності .
Аналіз спектрального складу фазних напруг та потужностей при різних видах модуляції виявив наявність в ньому частоти живлячої мережі та комбінаційних час-тот, які утворюють ті чи інші види послідовностей залежно від типу та способу мо-дуляції. Це обумовлює можливість формування миттєвої потужності необхідної час-тоти та амплітуди шляхом використання відповідних частотних складових зі спек-трів напруги та струму.
Частотні модуляція та маніпуляція мають більш широкий спектр (теоретично – безкінечний) і тому надають більше можливостей для формування необхідного спектру миттєвих потужностей.
У третьому розділі досліджено процес навантажування асинхронних двигунів шляхом модуляції частоти напруги живлення. Сформульовано критерії та принципи еквівалентізації перетворень енергії в процесі динамічного навантажування, та інте-гральний функціонал, що визначає працездатність електричної машини. Наведено результати математичного та фізичного моделювання енергообмінних процесів під час динамічного навантажування асинхронного двигуна частотно-модульованою напругою живлення.
В процесі навантажування певна енергія втрат має виділитися в силових колах електричної машини; при цьому температура двигуна є діагностичною ознакою, яка визначає його виробничу технічну придатність. Тобто, система навантажування бу-де тим економічнішою, чим ближче буде енергія загальних втрат до втрат безпо-середньо у машині, що досліджується.
Аналіз енергетичних процесів здійснено на підставі рівності повної потужності, що надходить до двигуна від джерела живлення, сумі складових потужності асинхронного двигуна. При цьому покладають, що двигун є симетричним і відповідні параметри фаз А, В та С однакові.
В такому випадку придатною для аналізу є схема заміщення однієї фази (фази А) асинхронного двигуна, наведена на рис. 1. На означеній схемі: - опір розсію-вання статора; - опір розсіювання ротора; - приведений опір ротора; - опір контуру намагнічування; - ковзання на -й гармоніці.
Моделювання здійснювалось за допомогою математичної моделі асинхрон-ного двигуна в режимі частотно-модульованої напруги живлення і фізичного моделювання на експериментальній установці.
Резузльтати моделювання режимів динамічного навантажування за викладе-ною методикою асинхронного двигуна 4А132М4, наведені на рис. 2 - 5.
Як свідчить рис. 2, залежність струмового навантажування від частоти моду-ляції має чітко визначений максимум, параметри якого залежать від величини на-пруги живлення U max, до того ж, величина навантажування є більшою, ніж для ана-логічного режиму амплітудної модуляції. Рівень втрат в міді статора (рис. 3) при максимумах струмового навантажування для будь-яких амплітуд напруги живлення практично збігається з їх значеннями для номінального режиму. Крім того, моде-лювання довело, що при малих частотах модуляції (5 Гц), навантажування буде більш ефективним, а рівень втрат в статорі меншим – при зниженій напрузі жив-лення, а при підвищених частотах модуляції (45 Гц) – при практично тому ж рівні втрат, ефективність навантажування буде більшою при підвищеній напрузі живлен-ня. Ці явища можливо пояснити залежністю від частоти імпедансу моделі асинхрон-ного двигуна.
Особливу зацікавленість викликає порівняння за допомогою математичної мо-делі ефективності режимів одночасної та пофазної частотних модуляцій напруги живлення з частотою 50 Гц, зразки якого наведені на рис. 4. та 5. На цих рисунках позначені: ? - одночасна; ? - пофазна пряма; х – пофазна зворотна модуляції.
Згідно з рис. 4, найільш ефективне струмове навантажування здійснюється при одночасній частотній модуляції, яка має чіткий максимум при частоті модуляції 15 Гц. Самою ж неефективною є пофазна пряма модуляція. За рис. 5, ефективність навантажування за відносними втратами в міді статора для одночасної модуляції буде найкращою в діапазоні частот модуляції від 12 до 30 Гц, для пофазної прямої буде зростати із збільшенням частоти модуляції, а для пофазної зворотної – лиша-ється незмінною для всього розглянутого діапазону частот модуляції. Розгляд за-лежностей ефективності струмового навантажування та навантажування за віднос-ними втратами в міді статора від параметру модуляції , що проводився для частот 15 Гц та 25 Гц, які відповідають максимумам навантажування на рис. 5, довів, що для всіх видів модуляціїї існує прямий зв?язок між ефективністю струмового на-вантажування та параметром модуляції . Ефективність же навантаження за від-носними втратами в міді статора при одночасній модуляції має екстремуми (для час-тоти модуляції 15 Гц вони припадають на = 3 та = 6, що відповідає значенням індексу модуляції ). Подібна залежність має місце і для частоти модуляції 25 Гц. Одержані результати можуть бути пояснені спектральним складом модульованої напруги.
Однією з проблем, що виникають під час аналізу режимів динамічного наван-тажування є проблема еквівалентизації теплових режимів, що утворюються внаслідок штучних навантажувальних діянь, з тепловими режимами, які супроводжують роботу двигуна в реальних умовах.
В роботі доведено, що для лінійної моделі асинхронного двигуна може бути встановлено аналітичний звязок між параметрами режиму навантажування і пара-метрами модульованої напруги. Таким чином, для моделювання номінального режиму було встановлено співвідношення:
.
Під впливом експлуатаційних та ремонтних діянь відбуваються незворотні зміни параметрів електротехнічної сталі асинхронного двигуна, які обумовлюють суттєві зміни у його тепловому балансі, без значних змін к.к.д. Діагностика пара-метрів асинхронних двигунів з урахуванням втрат в сталі, без їх розподілу на втрати в статорі та роторі, стає можливою в системах полігармонійного живлення, певним наближенням до яких є системи динамічного навантажування частотною модуля-цією напруги, що належать до складу єдиного вимірювально-діагностичного ком-плексу, який забезпечує одночасне керування процесами навантажування, вимірю-вання та обробки даних експерименту.
Основу еквівалентизації змін теплового режиму асинхронного двигуна, об-умовлених зміною властивостей електротехнічної сталі та відповідним режимом ди-намічного навантажування частотною модуляцією напруги живлення, складає одер-жане в роботі енргетичне співвідношення:
В четвертому розділі висунуті і обгрунтовані вимоги до джерел живлення си-стем динамічного навантажування асинхронних двигунів з частотною модуляцією напруги; визначені принципи побудови джерел частотно-модульованої напруги жи-влення; розглянуті особливості побудови схем джерел частотно-модульованої на-пруги з накопичувачами енергії, а також резонансні явища, що мають місце в таких схемах; запропонована реалізація режимів квазічастотного управління для динаміч-ного навантажування асинхронних двигунів.
Визначено, що джерела живлення повинні забезпечувати двосторонній обмін енергією між двигуном, що навантажується, та мережею внаслідок того, що динамі-чне навантажування реалізують з почерговим використанням рушійного режиму та режимів з рекуперацією енергії. Застосування інверторів напруги із ланкою постій-ного струму дозволяє використовувати обмін енергією в цій ланці, що суттєво змен-шує потужність джерела. Такий обмін стає можливим при застосуванні накопичу-вачів енергії (переважно, ємнісних) в колі постійного струму. Суттєве зниження по-тужності інверторів при навантажуванні асинхронних двигунів може бути досягнуто шляхом використання резонансних схем з ємнісними компенсаторами в колі змін-ного струму, тобто безпосередньо на затискачах асинхронного двигуна.
Схемна реалізація джерел модульованої напруги може здійснюватись на підставі:
-
перетворювачів частоти, які забезпечують підвищену якість частотної мо-дуляції, але більш складні за схемотехнікою. При цьому, електромашинні перетво-рювачі забезпечують достатньо якісні показники, але мають погіршені масо-габа-ритні характеристики. Статичні перетворювачі частоти з гарними масо-габаритними показниками мають схемотехнічні проблеми. Безпосередні перетворювачі частоти за відносної простоти мають обмежені можливості у регулюванні частоти (переважно в бік зменшення від частоти мережи). Крім того, спектральний склад вихідної на-пруги таких перетворювачів є досить складним і суттєво залежить від режиму керу-вання. Перетворювачі частоти із ланкою постійного струму мають покращені якісні характеристики;
-
тиристорних регулювальників напруги, що забезпечують відносну просто-ту та універсальність навантажувальних пристроїв, але не здійснюють частотної мо-дуляції у чистому вигляді, а лише квазичастотну, коли кути керування змінюються у часі за певним законом. Квазичастотне керування також може використовуватись для реалізації динамічного навантажування, але при застосуванні одноопераційних тиристорів має обмежену частоту на рівні 5 … 12 Гц. Застосування повністю керова-них вентілів дозволяє реалізувати квазичастотні режими до робочих частот, що на-ближаються до частоти промислової мережи.
У п?ятому розділі сформульовані вимоги та теоретичні принципи побудови вимірювально-діагностичних комплексів з частотною модуляцією напруги живлен-ня. Досліджено основні похибки вимірювань, що виникають в комп?ютерізованих комплексах для випробування електричних машин і запропоновані шляхи і методи їх врахування та усунення. Визначено показники ефективності систем динамічного навантажування асинхронних двигунів. Проведено розрахунки економічної ефекти-вності від застосування випробувальної станції динамічного навантажування з сер-тифікацією параметрів двигунів.
Результати досліджень підтверджують, що вимірювально-діагностичні ком-плекси для випробувань електричних машин мають забезпечити універсальність як з точки зору автоматичного синхронного керування процесами навантажування і діаг-ностування, так і з точки зору можливості реалізації випробувань найбільш ширшого спектру електричних машин із збереженням відносно невисокої вартості комплексу. Універсальність з точки зору можливості випробувань машин змінного та постійного струмів з відносно малою вартістю комплексу може бути реалізована шляхом використання в його силовому колі тиристорного регулювальника напруги, що забезпечить квазичастотний режим динамічного навантажування асинхронних двигунів. При визначенні параметрів двигунів за результатами випробувань необ-хідно враховувати зміну їх фізичних параметрів в процесі експлуатації та на перед-ремонтній стадії (зокрема, зміну магнітних властивостей електротехнічної сталі). Для забезпечення необхідної точністі визначення параметрів схеми заміщення дви-гуна за допомогою цифрових вимірювальних комплексів необхідним є не тільки кількісний, а і якісний аналіз похибок, що виникають як на етапі аналогово-цифро-вої обробки сигналів, так і на етапі розрахунків характеристик системи, а також визначення оптимальних режимів, які забезпечують мінімізацію похибок. За допо-могою запропонованої у розділі методики були проведені розрахунки похибок при визначенні параметрів асинхронного двигуна, обмотки статора якого ввімкнені за схемою зірки з нульовим дротом. При цьому у складі комплексу використовувалось поширене у сучасній схемотехніці обладнання та комплектуючі. Обчислені за цих умов значення основних похибок становили:
-
сумарні відносні похибки для каналу струму на першій гармоніці 0,626%, а на дев?ятій – 3,499 %;
-
сумарні відносні похибки для каналу напруги на першій гармоніці 0,708 %, а на дев?ятій – 3,514 %.
На поточний час відсутній математичний (техніко-математичний) апарат, який забезпечив би однозначну оцінку певного комплексу показників конкретного елек-тротехнічного обладнання. Пропонується здійснення оцінки ефективності систем динамічного навантажування за допомогою коефіцієнтів: ефективності перетворю-вання енергії КР, використання активної потужності КМ та встановленої потужності КУ., які відрізняються за змістом від аналогічних коефіцієнтів для класичних систем електроприводу, і є пристосованими до особливостей енергообмінних процесів, що мають місце у системах динамічного навантажування.
Доведено, що однією з переваг, які надає перехід до післяремонтних випробу-вань асинхронних двигунів з використанням систем динамічного навантажування, є можливість їх сертифікації, яка пов?язує вартість відремонтованої машини з її харак-теристиками та можливістю експлуатації в конкретних технологічних режимах.
ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу, яка полягає у роз-витку теорії систем динамічного навантажування асинхронних електричних двигу-нів під час їх випробувань, що на відміну від існуючих систем навантажування не потребують агрегування машини, що випробується, з іншими механізмами; і ство-рення-розроблення на її підставі практичних пристроїв та комплексів для наванта-жування асинхронних електричних машин, вимірювання параметрів навантажуваль-ного режиму та захисту, визначення їх техніко-економічних показників в електроре-монтній практиці. Виконані в роботі дослідження дали змогу зробити наступні ви-сновки:
1. Однією з причин неякісного ремонту найпоширенішого класу електричних машин – асинхронних двигунів – є недосконалість процедури випробувань та випро-бувального обладнання, які не дозволяють здійснити паспортизацію всіх відремон-тованих машин. Рішення задачи визначення післяремонтних даних асинхронних двигунів стає можливим за умов:
-
створення електрообладнання універсального характеру, яке дозволить реа-лізувати необхідні навантажувальні режими;
-
створення діагностичного обладнання, за допомогою якого (на підставі ана-лізу результатів навантажування) можливо одержати необхідні дані про характерис-тики двигунів та їх навантажувальну здатність.
2.
Умовам універсальності, продуктивності та енергетичної ефективності від-повідають системи динамічного навантажування, які є сучасним обладнанням, котре дозволяє вирішити задачу створення автоматизованих випробувальних комплексів для дослідження основних характеристик асинхронних двигунів, здатних отримати весь обсяг інформації про досліджувану машину при мінімізації технічних, еконо-мічних та часових витрат.
3.
Ефективним засобом реалізації динамічого навантажування асинхронних електродвигунів є модуляція напруги живлення їх статорних обмоток. Найбільш ефективною є одночасна частотна модуляція з індексом модуляції в межах m = 0,1 - 0,2.
4.
Джерелами частотно-модульованої напруги живлення можуть бути пере-творювачі частоти, схемні рішення яких дозволяють реалізувати генераторний ре-жим асинхронного двигуна, що навантажується. Це потребує здійснення функції на-копичування енергії в колі постійного струму шляхом використання ємнісного або іншого накопичувача, або ж використання мережевого перетворювача з двобічним обміном за потужністю. Ефективними в таких умовах є ємнісні накопичувачі енергії (іоністори), які забезпечують додаткові можливості реалізації резонансних режимів енергообмінних процесів в системі навантажування та зменшення її негативного впливу на мережу живлення та інші споживачі.
5.
Універсалізація та спрощення схеми джерела живлення можливі за умови використання тиристорного регулювальника напруги і реалізації режима квазичас-тотного динамічного навантажування асинхронного двигуна, який формується за ра-хунок зміни форми поля двигуна, тобто перерозподілу енергії між фазами двигуна. Фізично це є модуляція кута керування і цей параметр через неоднозначність зна-чень за фазами не може ототожнюватись з модуляцією частоти. При цьому для схем з неповністю керованими тиристорами вихідна частота обмежена 5 – 12 Гц, а для схем з повністю керованими вентилями – наближається до частоти мережі.
6.
Вимірювально-діагностичні комплекси з частотною модуляцією напруги живлення – це сучасне компютерізоване обладнання, яке забезпечує в єдиному цик-лі формування необхідного режиму навантажування, вимірювання миттєвих значень контрольованих параметрів, обробку даних експерименту та паспортизацію двигуна, що випробовувався. При цьому якість всіх процедур залежить від вірності добору елементів комплексу та методик врахування похибок. Розроблена методика дозво-ляє звести рівень загальної похибки каналу струму до 3,5 % на 9-й гармоніці і 0,63 % - на першій; по каналу напруги – відповідно 3,5 и 0,7%.
7.
Оцінка енергетичної ефективності систем динамічного навантажування мо-же бути здійсненою за допомогою розроблених вдосконалених показників енерге-тичної ефективності, що враховують специфіку енергообмінних процесів в систе-мах динамічного навантажування.
8.
Підтверджено економічну доцільність прийнятого варіанту побудови стан-цій для випробувань асинхронних електричних двигунів з використанням систем ди-намічного навантажування частотною модуляцією напруги живлення. За результа-тами проведених економічних розрахунків річний економічний ефект від застосу-вання станції динамічного навантажування порівняно до існуючої базової моделі при рівні капітальних витрат 8900 грн. становитиме 18443 грн., а термін окупності – 0,48 року.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ
ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Мосьпан В.А. К построению систем динамического нагружения низко-вольтных асинхронных двигателей. //Проблемы создания новых машин и техноло-гий. Научные труды КГПИ. – Кременчуг:КГПИ - 1998, вып. 2 – с. 32-34.
2.
Здор И.Е., Мосьпан В.А.,Родькин Д.И. Анализ методов диагностики асин-хронных короткозамкнутых двигателей. //Проблемы создания новых машин и техно-логий. Научные труды КГПИ. – Кременчуг:КГПИ - 1998, вып. 2 - с. 99-105.
3.
Мосьпан В.А., Родькин Д.И. Эквивалентизация тепловых режимов асин-хронных двигателей при нагружении в системах модуляции напряжения. //Пробле-мы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. – Кременчуг:КГПИ - 1999, вып. 2. – с. 121-128.
4.
Мосьпан В.А. Модуляция напряжения питания асинхронных двигателей. //Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. – Кременчуг:КГПИ - 1999, вып. 2 с. 132-139.
5.
Кучеренко В.Ю., Морозов А.А., Мосьпан В.А., Родькин Д.И. О подходах и оценке качества ремонта асинхронных двигателей. //Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. – Кременчуг:КГПУ – 2000, вып.2 с. 235-241.
6.
Мосьпан В.А. Эффективность различных видов модуляции в системах динамического нагружения асинхронных двигателей. //Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. – Кременчуг:КГПУ – 2001, вып.1 с. 351-355.
7.
Величко Т.В., Кривонос С.А., Корнет В.М., Мосьпан В.А. К созданию сис-тем электропривода и систем нагружения с емкостными накопителями. //Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. – Кременчуг:КГПУ – 2001, вып.2 с.
8.
ВеличкоТ.В., Ломонос А.И., Мосьпан В.А., Родькин Д.И. Показатели эф-фективности систем динамического нагружения двигателей при испытаниях. //Про-блемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. – Кремен-чуг:КГПУ – 2001, вып.2 с.
9.
Мосьпан В.А., Родькин Д.И. Общая характеристика динамических свойств асинхронного двигателя, как нагружаемой системы.//Збірник наукових праць ДонНТУ. Серія :Електротехніка і електроенергетика. Донецьк: ДонНТУ, 2002.- 355.
10.
Пат. 37857 А Україна, МКИ G01R31/34. “Пристрій для навантаження асинхронних електродвигунів” . Заявл. 25.04.2000; Опубл. 15.05.2001, бюл.№ 4.
11.
Мосьпан В.А., Родькин Д.И. Эквивалентизация тепловых режимов асин-хронных двигателей при динамическом нагружении. //Доклад на международной научно-технической конференции “Проблемы создания новых машин и техноло-гий”. Научные труды КГПИ. – Кременчуг:КГПИ 2000, вып.1 с. 127-132.
12.
Мосьпан В.А., Родькин Д.И. Инженерный метод определения степени насыщения стали асинхронного двигателя. // Доклад на международной научно-тех-нической конференции “Проблемы создания новых машин и технологий”. Научные труды КГПУ. – Кременчуг:КГПУ – 2000, вып.2 с. 197-199.
АНОТАЦІЯ
Мосьпан В.О. Комплекс динамічного навантажування частотною модуля-цією напруги живлення для випробувань асинхронних двигунів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеці-альністю 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи. – Національний техніч-ний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ - 2002.
Дисертацію присвячено питанням розробки автоматизованих універсальних електротехнічних комплексів для випробувань електричних машин. Обгрунтовано основні теоретичні принципи побудови, розрахунків та проектування пристроїв динамічного навантажування асинхронних електричних двигунів частотною моду-ляцією напруги живлення. Розвинуто методи аналізу енергообмінних процесів в еле-ктричних колах з полігармонійними струмами та напругами, визначені основні кри-терії та методики оцінки ефективності окремих типів модуляції багатофазних сис-тем напруг з точки зору динамічного навантажування. Обгрунтовані вимоги до дже-рел живлення систем динамічного навантажування асинхронних двигунів та сфор-мульовані принципи побудови таких джерел. Вироблено рекомендації щодо побудо-ви вимірювально-діагностичних комплексів для досліджень характеристик асин-хронних двигунів за допомогою динамічного навантажування з частотною модуля-цією напруги живлення. Запропоновано методи оцінки ефективності таких систем та зроблено розрахунки економічної ефективності від їх застосування.
Ключові слова: динамічне навантажування, асинхронний двигун, післяремон-тні випробування, схема заміщення, математична модель, полігармонійна напруга, модуляція, знакозмінна потужність, вимірювально-діагностичний комплекс, показ-ники ефективності.
АННОТАЦИЯ
Мосьпан В.А. Комплекс динамического нагружения частотной модуляцией напряжения питания для испытаний асинхронных двигателей. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев - 2002.
Диссертация посвящена вопросам разработки автоматизированных универ-сальных электротехнических комплексов для исследования электрических машин. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны теоретические принципы построения, расчета и проектирования устройств динамического нагружения асинхронных электрических двигателей частотной модуляцией питающего напряжения. Установлено, что успешное решение проблемы послеремонтных испытаний асинхронных двигателей требует: создания электрооборудования универсального характера, которое позволяет реализовать необходимые нагрузочные режимы; создания диагностического оборудования, с помощью которого (на основе анализа результатов нагружения) можно получить необходимые данные о характеристиках двигателей и их нагрузочной способности. И этим требованиям отвечают системы динамического нагружения.
По результатам анализа энергообменных процессов в многофазных электрических цепях с полигармоническими напряжениями и токами установлено, что эффект динамического нагружения асинхронного электрического двигателя в режиме холостого хода обеспечивается за счет возникновения знакопеременной мощности, обусловленной разночастотными составляющими спектров напряжения и тока. Спектральный анализ систем трехфазных напряжений с различными видами модуляции (амплитудной, частотной, амплитудно-частотной и дискретной) в одновременном и пофазном режимах показал наивысшую эффективность, с точки зрения нагружения, одновременной частотной модуляции с индексами m = 0,15 … 0,2.
Рассмотрены варианты построения схем источников модулированного напряжения, обеспечивающих обязательный для систем динамического нагружения двусторонний обмен энергией между исследуемым двигателем и источником энергии. В качестве вариантов исследованы преобразователи частоты с накоплением энергии в звене постоянного тока и тиристорные регуляторы напряжения в режиме квазичастотного управления.
Предложены принципы построения автоматизированных универсальных измерительно-диагностических комплексов для исследования характеристик асинхронных электродвигателей с помощью динамического нагружения частотной модуляцией напряжения. Проведен анализ типовых погрешностей измерительно-диагностических систем с цифровой обработкой информации, разработаны методики их оценки и снижения.
Предложена оценка эффективности систем динамического нагружения с использованием коэффициентов: эффективности преобразования энергии КР, использования активной мощности КМ и установленной мощности КУ, усовершенствованных с учетом особенностей энергообменных процессов в системах динамического нагружения.
Ключевые слова: динамическое нагружение, асинхронный двигатель, послеремонтные испытания, схема замещения, математическая модель, полигармоническое напряжение, модуляция, знакопеременная мощность, измерительно-диагности-ческий комплекс, показатели эффективности.
ABSTRACT
Mospan V.O. Complex for the dynamic loading by frequency modulation of supply voltage for induction motor’s testing. – Manuscript.
Science Degree thesis on the major of 05.09.03 – electromechanical complexes and systems. – National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv - 2002.
The thesis is devoted to the development of the atomised all-purpose electromechanical systems for the electric machines tests. Due to the theoretical and experimental research the main structure principles, calculation and designing of systems with the dynamic loading of induction motors with frequency modulation of supply voltage are grounded. Power exchange methods in power circuits with polyharmonic currents and voltages are developed, main criterions and principles of the efficiency estimation for some types of modulation for multiphase voltage systems in the view of dynamic loading are defined. Requirements for the power supply of induction motors dynamic loading are discovered. Construction principles for these supplies are formulated and ways for the improvement of their power characteristics and the reduction of negative influence on power circuit and other services, also with the use of capacity power store, are determined. Recommendations for the construction of measuring-diagnostic systems for induction motors characteristics analysis are made using the dynamic loading with supply voltage frequency modulation. Tools for the estimation of systems’ efficiency are suggested and the calculation of their economical effect is made.
Key words: dynamic loading, induction motor, after-repairing test, equivalent circuit, mathematics model, polyharmonic voltage, modulation, alternate voltage, measuring-diagnostic system, efficiency rate.
