CC BY
7
APPLICATION OF A MATHEMATICAL MODEL OF SCALAR CONTROL OF AN ASYNCHRONOUS MOTOR WITH AN INCREASED FREQUENCY FOR STARTING A MECHANISM WITH A LARGE MOMENT OF INERTIA
A.A. Korzhev, V.A. Serikov, I.A. Gurevich, Du Siyao
The electric system for starting a gas turbine engine, which reduces the wear of equipment during operation, is considered. Two scalar control laws are compared. To improve the quality of the starting transients, it is proposed to use the law with a quadratic change in the moment of resistance
Key words: starting a gas turbine engine, mathematical modeling of an asynchronous motor, scalar control system.
Korzhev Alexander Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University,
Serikov Vladimir Aleksandrovich, postgraduate, serikov. va@bk. ru, Russia, St. Petersburg, Mining University,
Gurevich Ilya Andreevich, student, [email protected], Russia, St. Petersburg, Mining University,
Du Siyao, postgraduate, serikov. va@bk. ru, Russia, St. Petersburg, Mining University
УДК 62-932.4 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-486-494
ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ МАЛОЭТАЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА НА ОСНОВЕ МЕТОДА ИСКУССТВЕННОЙ НАГРУЗКИ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
А.В. Турышева, Ю.В. Гульков, И.Н. Войтюк
В статье представлены результаты исследования повышения надёжности электропривода после ремонта, что может повысить такое свойство рассматриваемого объекта как долговечность. Предложен принцип испытания асинхронного электропривода под нагрузкой - метод искусственной нагрузки асинхронных электродвигателей без использования механической нагрузки на валу. Данный метод испытаний может быть реализован посредством изменения частоты питающего напряжения, что приведёт к изменению скорости вращения, а также изменению тока статора асинхронного электропривода.
Ключевые слова: диагностика и испытания электроприводов, испытание электропривода под нагрузкой, надёжность электротехнических комплексов объектов малоэтажного строительства, асинхронный двигатель, механическая характеристика асинхронного электропривода.
Благодаря простоте конструкции, надежности работы, и малой стоимости по сравнению с другими типами двигателей асинхронные двигатели на текущий момент получили наибольшее распространение и применяются во всех отраслях. Наибольший процент потребления энергии из сети осуществляется электроприводами на основе двигателей данного типа. А с учетом того, что электроприводы постоянного тока заменяются асинхронными частотно-регулируемыми приводами, то число их только растет.
486
В том числе асинхронные электродвигатели широко применяются в качестве приводных электродвигателей насосных станций для обеспечения водоснабжения и во-доотведения объектов малоэтажного строительства. Опыт технической эксплуатации показывает, что аварийные режимы являются наиболее частой причиной остановки, а также выхода из строя электродвигателей данного типа. Это приводит к простою технологического оборудования насосных станций; недоотпуску потребителям воды, как для личных целей, так и противопожарных нужд, а значит, к таким убыткам дополнительно добавляется и снижение пожаробезопасности объектов малоэтажного строительства [1, 2].
Все существующие средства диагностики и испытаний электроприводов должны обеспечивать сохранность электродвигателя и снижать вероятность возникновения различных аварийных ситуаций. Обнаружение и устранение технических неполадок двигателя на ранних стадиях проектирования и испытаниях позволяет повысить надёжность электродвигателя, что в свою очередь уменьшит число отказов при эксплуатации, снизит расходы на ремонтные работы и повысит эффективность работы электропривода.
Кроме того, техническая диагностика является эффективным методом повышения надёжности электрооборудования. Для этой цели часто проводятся различные испытания, в том числе испытание на надёжность, которое проводится для оценки соответствия ресурса двигателя и показателей его безотказности, установленных техническим заданием [3, 4].
Особое значение такая диагностика и испытание имеют тогда, когда они применяются совместно с резервированием основного электропривода, идентифицируя при этом неисправность и обеспечивая быстрое переключение на резервный агрегат.
Для диагностики электроприводов с асинхронным электродвигателем производят его механические и электрические испытания.
В соответствии с ГОСТ 7217-87 «Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний» существуют следующие виды испытаний электроприводов [5]:
1) измерение сопротивления обмоток при постоянном токе;
2) определение коэффициента трансформации двигателей с фазным ротором;
3) определение тока и потерь холостого хода;
4) определение тока и потерь короткого замыкания, начального пускового вращающего момента и начального пускового тока;
5) испытание на нагревание;
6) определение рабочих характеристик, коэффициента полезного действия, коэффициента мощности и скольжения;
7) определение кривой вращающего момента, значений максимального и минимального вращающих моментов;
8) экспериментальное определение параметров схемы замещения;
9) определение частотных характеристик;
10) определение добавочных потерь.
Также указывается, что пункты 1, 2 и 7 допускается производить выборочно.
Кроме того, стоит отметить, что все необходимые типовые испытания, описанные в нормативной документации, проводятся специализированной ремонтной организацией, которая имеет необходимое диагностическое оборудование.
Также ремонтными организациями применяется общепринятая практика по испытанию асинхронного электродвигателя на холостом ходу или с ненагруженным механизмом. Значение тока холостого хода электропривода не нормируется, а длительность такого испытания обычно не менее одного часа.
Обкатка асинхронного двигателя на холостом ходу производится за незначительный промежуток времени только лишь для того, чтобы убедиться, что ток холостого хода находится на приемлемом уровне, а в работе электропривода нет явных дефектов таких как заклинивание подшипников или цепляние ротора о пакет статора [6,7].
Кроме испытания электропривода при его работе на холостом ходу немаловажным является и его испытание под нагрузкой. Такая проверка должна производиться при мощности, потребляемой электродвигателем из сети, а нагрузка на валу обеспечивается необходимым лабораторным оборудованием в виде различного рода тормозными механизмами или другими механизмами, создающими механическую нагрузку с регулируемым моментом.
В настоящее время большинство электроремонтных предприятий выполняют основные испытания отремонтированных двигателей только в режимах холостого хода. Причина этого является большая номенклатура электроприводов, что затрудняет сочленение двигателя с устройством, создающим механическую нагрузку с регулируемым моментом. В результате заказчику ремонта может быть отправлен двигатель с необнаруженными дефектами [8].
Например, основными необнаруженными дефектами при упрощённом методе испытаний могут быть:
дефект подшипниковых узлов, вследствие возникновения электромагнитных вибраций из-за наличия магнитной несимметрии и неравномерности распределения свойств стали зубцовой зоны статора;
резкое увеличение потерь в стали после ремонта;
неравномерные повышения температур в статоре, имеющие более значительные негативные последствия по сравнению с общим нагревом из-за увеличения потерь в стали.
При испытании работы электропривода без нагрузки диагностировать приведенные неполадки не представляется возможным.
Стоит отметить, что наличие вибраций уменьшает среднюю наработку до отказа привода в 4 раза, а возникновение перенапряжений при многократном реверсировании работы электропривода - уменьшается в 2,5 раза. При возникновении вибраций и продолжительных динамических усилий в совокупности с температурным старением изоляции наработка до отказа будет уменьшена примерно в 30 раз [9].
Следовательно, соответствие электропривода насосной станции конкретным условиям эксплуатации должно осуществляться после прохождения всех проверочных испытаний на испытательном стенде в режимах холостого хода и под нагрузкой. Для этого стенд должен быть оборудован устройством моделирования искусственной нагрузки, характерной для насосного агрегата.
1. Моделирование искусственной нагрузки электропровода насосной станции. Исследование метода искусственной нагрузки проводилось для асинхронного электродвигателя в однофазном исполнении. При этом, все сделанные выводы могут быть приняты для трёхфазных асинхронных двигателей.
Были рассмотрены параметры двигателей при различных способах их включения. Электротехнические комплексы в составе: асинхронный двигатель-пусковая обмотка, являются распространёнными электрическими машинами в составе насосных станций объектов малоэтажного строительства. На рис. 1, а показана схема однофазного асинхронного двигателя с пусковой обмоткой [10].
а) б) С$
5
о
о
IV IV
Рис. 1. Схемы включения однофазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором: а — с пусковой обмоткой; б — с применением
конденсатора
488
Для создания пускового момента однофазного асинхронного двигателя необходимо создать сдвиг фаз между токами и магнитодвижущей силы (МДС) пусковой и рабочей обмотках. Это обеспечивается при условии, что активные (%) и индуктивные (
) сопротивления рабочей обмотки будут больше значений сопротивлений пусковой
( ^ ,
Следует учесть, что не допускается работа пусковой обмотки в длительном режиме, поскольку это приводит к ее перегреву под воздействием пускового тока.
Асинхронный двигатель с дополнительной пусковой обмоткой будет иметь низкие показатели энергоэффективности: коэффициент мощности - 0,5 ^ 0,6; КПД - 0,4 ^ 0,7; кратность пускового момента - 1 ^ 1,5.
Пусковой момент имеет значительное влияние на работу асинхронного двигателя в составе электропривода. При его небольшом значении происходит отказ двигателя, поскольку момент сопротивления на валу ротора будет велик, а электромагнитного момента недостаточно. Ротор не будет вращаться, скольжение будет равно единице, возникнет режим короткого замыкания, в обмотках двигателя будет протекать пусковой ток, превышающий в 5-7 раз номинальное значение.
Для исключения данного явления используют конденсатор, включенный в цепь пусковой обмотки S (рис. 1 б). Причем характеристики асинхронного двигателя с применением конденсаторной батареи в цепи пусковой обмотки позволяет дополнительно получить высокие пусковые характеристики по сравнению с асинхронным двигателем с дополнительным сопротивлением: кратность пускового момента - 2 ^ 2,5.
Следует отметить, что использование двух конденсаторов позволяет создать круговое вращающееся магнитное поле, поэтому такая схема является наиболее эффективной. Однако, применение дополнительных устройств приводит к снижению надежности работы системы [11].
Следовательно, определение параметров режима искусственной нагрузки и схемы замещения однофазного асинхронного электродвигателя является важной технико-экономической задачей, выполненной в данной работе.
На рис. 2 представлена схема замещения асинхронного электродвигателя, в которой: Usw, isw - напряжение и ток рабочей W обмотки статора, - напряжения и ток пусковой S обмотки статора; г^», г^, /ге^),- активное сопротивление и токи ротора, приведенные к числу витков рабочей обмотки W; rsw, ^ - активные сопротивления рабочей и пусковой обмоток статора.
Система уравнений для схемы замещения однофазного асинхронного электропривода имеет вид:
2 и 0 ш . г р0 ш . х Г2 Г2 .
2 0 ш - ~Т-. г0 ш - —2—.х 0 ш - 0 ш - г0 ш ;
10 ш Цш
2 и кш . г ркш . х Г2 Г"2 .
2кш - —-. гкш - —2-. х0ш - - гкш .
1кш I кш
х 0 ш - хт (ш ) + х5 аш . хкш - х5 аш + хга (ш
г0ш - гт (ш ) + гБш ; гкш - гБш + Гг (ш
аш - хга (ш гБш - Гг (ш аБ -хга (5 - Гг (5 ).
2 0 5 - . г0 5 - ^Т-. х 0 5 - 0 5 - г05 .
10 5 10 5
- . гкш - . х05 - - гк .
х0 5 - хт (5 )+ х5 а5 . хк5 -х5 а5 + хта($ ).
О - гт (5 )+ . гк% - + Гг (5 ).
(1)
Ьы ^¡е И
Лж
ГгМ
_ ¿/я
у
ХтЫ" ГтШ
гШ
Рис. 2. Схема замещения однофазного асинхронного двигателя
В системе уравнений приняты следующие обозначения: W и S соответствуют рабочей и пусковой обмоткам статора, 0 и к - режимы без воздействия нагрузки и короткого замыкания соответственно.
При выполнении моделирования влияние насыщения полями прямой и обратной последовательности было учтено путем подключения к асинхронному электродвигателю двух источников напряжения, угол сдвига фаз между которыми составляет 900, а амплитуды напряжений выбраны таким образом, чтобы МДС обеих обмоток были равны [12,13]. Введение в модель параметров аппроксимированной кривой намагничивания позволили учесть влияние насыщения магнитной цепи при пуске и торможении двигателя:
Хт = / (р), (2)
По представленным уравнениям была создана математическая модель однофазного асинхронного двигателя для проведения исследований режимов работы электродвигателя в режимах холостого хода, короткого замыкания и под нагрузкой.
Для построения математической модели был выбран двигатель типа АВЕ-071-4. Паспортные данные данного агрегата приведены в табл. 1.
Паспортные данные исследуемого асинхронного электропривода
Таблица 1
Марка двигателя и~ном.> В /ном.5 А Ином., об/мин ^ном. СОБ^ном. ^ном^ Вт
АВЕ-071-4 220 1,6 1350 0,6 0,94 160
На основе системы уравнений 1, был произведён расчёт параметров схемы замещения. Итоговые данные параметров показаны в табл. 2.
Сводная таблица параметров схемы замещения
Марка двигателя г sw, Ом Ом Л-м, Ом ••s0w, Ом ••s0s, Ом Ом 1ном, А nном, об/мин Пном
АВЕ-071-4 9,4 35,9 9,4 10,0 25,4 150 1,4 1500 0,605
Таблица 2
На рис. 3 представлена модель, составленная при помощи программного пакета Simulink-SimPowerSystem.
Результаты моделирования, представленные на рис. 4, демонстрируют адекватность математической модели реальному объекту исследования.
Моделирование искусственной нагрузки асинхронного электродвигателя осуществляется путем изменения частоты питающего напряжения, приводящее к изменению частоты вращения и тока статора. Таким образом, такое возмущающее воздействие на электродвигатель позволяет создать заданный режим работы двигателя.
Механическая характеристика двигателя в режиме искусственной нагрузки представлена на рис. 5.
ЭиЬ^етЗ М
Рис. 3. Математическая модель однофазного асинхронного электродвигателя созданная в программном пакете Simulink-SimPowerSystem
двигателя
IV
Рис. 5. Механическая характеристика асинхронного двигателя под воздействием искусственной нагрузки
Точке В, на приведенной характеристике, соответствует номинальный момент электродвигателя. Режим торможения достигается при изменении частоты питающего напряжения, что приводит к смещению графика из точки В в С. Далее двигатель продолжает снижение скорости (участок CD) до значения, соответствующей частоте электрической сети. При увеличении частоты питающего напряжения происходит разгон двигателя: переход от критического момента А до номинального В. Повторение цикла необходимо для обеспечения непрерывного режима искусственной нагрузки.
По результатам математического моделирования были получены графики, представленные на рис. 6.
о-в 1
—~
О о.* 0.2
>(. 0.7
Рис. 6. Скорость вращения, ток статора и эквивалентный ток статора
Преобразование частоты питающего напряжения позволяет моделировать воздействие искусственной нагрузки и реализовать режимы холостого хода, короткого замыкания и под нагрузкой. На рис. 6 представлены осциллограммы изменения скорости вращения, тока и эквивалентного тока статора, позволяющие оценить время переходного процесса при изменении искусственной нагрузки. На математической модели однофазного асинхронного электродвигателя созданном в программном пакете Simulink-SimPowerSystem для получения среднего значения тока статора было произведено интегрирование по времени, в результате которого можно увидеть, что среднее значение интегрированного тока совпадает с номинальным значением [14].
Заключение. Метод искусственной нагрузки при испытаниях асинхронных электродвигателей позволяет обеспечить номинальный ток в обмотке статора электродвигателя, что соответствует реальному режиму нагрузки. При этом из состава испытательного оборудования исключается нагрузочная машина или какой-либо нагрузочный механизм, обычно использующийся для этой задачи.
При этом исключается непосредственная механическая связь между исследуемым электродвигателем и нагрузкой, что в свою очередь повышает универсальность стендов, которые можно использовать для широкой номенклатуры электродвигателей, как в однофазном, так и трёхфазном исполнении, а так же уменьшает его массогаба-ритные показатели и металлоёмкость. Процесс искусственной нагрузки реализуется на полупроводниковых вентильных элементах с микропроцессорной системой управления.
Список литературы
1. Ермаков К.С. Информационно-измерительная система для контроля электрических и механических параметров электродвигателя / К.С. Ермаков, Е.В. Тумакова // Наука и Образование. МГТУ
2. Kovalchuk, M.S., Baburin, S.V. Modelling and control system of multi motor conveyor IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018, 327(2), 022065
3. ДРЕК.656361.00МУ Системы водоснабжения и водоотведения. Методические указания по применению. Шкафов управления насосами и комплектных насосных станций. Старый Оскол: ООО «Технологии АЭК», 2011. - 21 с.
4. Abramovich B.N. Uninterruptible Power Supply System for Mining Industry Enterprises // Journal of Mining Institute. 2018. 229. Pp. 31-40.
5. ГОСТ 28249-93 Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ - М.: Стандартинформ, 2006, 47 с.
6. Марченко А.А. Испытание асинхронного двигателя под номинальным током в режиме противовключения и понижения частоты напряжения / А.А. Марченко // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2014 - C. 25 - 32.
7. Baburin, S.V., Zyrin, V.O., Kovalchuk, M.S. Dependence of power supply systems reliability on the type of redundancy// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, 643(1), 012134
8. Артюхов И.И. Электромагнитная совместимость и качество электроэнергии. Учебное пособие / И.И. Артюхов, А.Г. Сошинов, И.И. Бочкарева, Волгоград: Изд. ТЛТГТУ, 2015, 63с.
9. Кожухова А.В. Применение ЧРП для повышения энергоэффективности насосной установки / А.В. Кожухова, К. Н. Рамазанов // Символ науки. Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук. - 2016 - C. 108 - 117.
10. Александровская Л.Н. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем / Л.Н. Александровская, А.А. Афнасьев, А.А. Лисов - М.: Логос, 2003. - 208 с.
11. Baburin S.V., Turysheva A.V., Kovalchuk M.S. Algorithm for the choice of power supply system rational structure of gas pumping stations // Journal of Physics: Conference Series, 2021. 1753(1).
12. Kovalchuk M.S., Zagrivniy E.A., Poddubniy D.A. Simulation Model of a Dynamically Counterbalanced Drilling String with a Sensorless Control System for Controlling an Autoresonant AC Electric Drive // Proceedings of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, EIConRus 2020, 2020, стр. 702-706, 9039444.
13. Abramovich B.N., Kuznetsov P.A., Sychev Yu.A. Protective Controller against Cascade Outages with Selective Harmonic Compensation Function // Journal of Physics: Conference Series, International Conference Information Technologies in Business and Industry 2018 - Microprocessor Systems and Telecommunications, 2018, May 2018. doi: 10.1088/1742-6596/1015/2/022001.
14. Потапов А.И., Пугачёв А.А., Потапов И.А. Контроль, диагностика, обеспечение качества электрической электроэнергии. СПб.: Изд-во ДЕАН, 2014. 840 с.
Турышева Анна Вахтанговна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет,
Гульков Юрий Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет,
Войтюк Ирина Николаевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет
DIAGNOSTICS OF ELECTRICAL EQUIPMENT OF LOW-RISE CONSTRUCTION FACILITIES BASED ON THE METHOD OF ARTIFICIAL LOADING OF ELECTRIC
DRIVES
A.V. Turysheva, Yu.V. Gulkov, I.N. Voytyuk
The article presents the results of a study of increasing the reliability of an electric drive after repair, which can increase such a property of the object under consideration as durability. The principle of testing an asynchronous electric drive under load is proposed - a method of artificial loading of asynchronous electric motors without using a mechanical load on the shaft. This test method can be implemented by changing the frequency of the supply voltage, which will lead to a change in the rotation speed, as well as a change in the stator current of an asynchronous electric drive.
Key words: diagnostics and testing of electric drives, testing of an electric drive under load, reliability of electrical complexes of low-rise buildings, asynchronous motor, mechanical characteristics of an asynchronous electric drive.
Turysheva Anna Vakhtanhovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Gulkov Yuri Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, guliguli@,list.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Voytyuk Irina Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, voy-tuk_irina@,mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University
