О прямом пуске асинхронного двигателя с двухступенчатой компенсацией реактивной мощности в составе вспомогательного привода электровоза Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62-83 (075.8): 621.313.333: 629.423.32

М. Ю. Пустоветов

О ПРЯМОМ ПУСКЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

С ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СОСТАВЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРОВОЗА

Вспомогательный электропривод электровозов часто строится на базе трехфазных асинхронных двигателей. В ряде схем асинхронного вспомогательного привода практикуется прямой пуск двигателей, чему сопутствуют значительные пусковые токи. Это предъявляет повышенные требования к установленной мощности питающего преобразователя. Рассмотрен способ снижения пусковых и рабочих токов за счет использования трехфазных конденсаторных батарей. Приведены результаты компьютерного моделирования.

Схема питания трехфазных асинхронных двигателей (АД) вспомогательных нужд электровоза от электромеханических фазорасщепителей предусматривает прямой пуск как мо-тор-вентиляторов, так и мотор-компрессоров (МК) [1].

Современная идеология построения статических преобразователей собственных нужд (СПСН) электровозов предусматривает наличие нескольких параллельно работающих каналов СПСН [2]. Основой СПСН является преобразователь частоты на базе автономного инвертора напряжения (АИНа). Одной из причин многоканальности СПСН является наличие различных по характеру нагрузок на борту электровоза. Например, частотное регулирование частоты вращения АД вентиляторов в зависимости от перегрева или тока тяговых электро-двигателей дает значительную экономию электроэнергии [3]. МК работает с постоянной частотой вращения, имеет значительный пусковой момент (особенно если компрессор поршневой [1]). Для упрощения системы управления СПСН и сокращения числа каналов силовой части (всего два канала: регулируемый и нерегулируемый) допустимо подключение МК к нерегулируемому каналу с фиксированной выходной частотой и величиной напряжения, т. е. прямой пуск МК.

Прямой пуск АД сопряжен со значительными пусковыми токами, кратно превышающими номинальное значение. Пусковые токи потребляются от фазорасщепителя или от СПСН. Установленная мощность этих устройств должна позволять выдерживать пуски АД, в том числе затяжные (при пониженном напряжении в контактной сети, при низкой температуре окружающей среды). Ток АД, особенно при пуске, содержит значительную реактивную (индуктивную) составляющую, компенсация которой позволила бы облегчить условия работы питающего преобразователя, уменьшить его установленную мощность.

Одним из относительно простых способов компенсации реактивной составляющей тока АД является установка в схеме питания трехфазных конденсаторных батарей. Величина реактивной мощности, подлежащая компенсации, различна в пусковом и номинальном режимах, поэтому следует применять либо компенсацию только в режиме пуска, либо двухступенчатую компенсацию, меняя величину подключенной емкости в зависимости от режима работы.

Пусть АД, приводящий во вращение МК, получает питание от нерегулируемого канала СПСН, принципиальная схема силовой части которого изображена на рисунке 1.

В состав СПСН входят двухуровневый АНН с жесткой коммутацией, синус-фильтр, трехфазный трансформатор. К вторичной обмотке трансформатора подключен АД и параллельно последнему - две трехфазные батареи конденсаторов, которые обеспечивают процесс прямого пуска АД с двумя ступенями компенсации реактивной мощности. В нашем случае конденсаторы синус-фильтра емкостью 450 мкФ на фазу соединены по схеме «звезда», индуктивности синус-фильтра составляют 2 мГн на фазу, обмотки трансформатора имеют схему соединения A/Y (для возможности подключения однофазных потребителей на вторичной обмотке выведена нейтраль), конденсаторы в каждой трехфазной батарее соединены по схеме «звезда». В дальнейшем расчете и при компьютерном моделировании использованы па-

раметры АД типа НВА-55, характеристики которого для номинального режима представлены в таблице.

Рабочие емкости

Рисунок 1 - Принципиальная схема силовой части нерегулируемого канала СПСН Емкость фазы конденсаторной батареи рабочей ступени рассчитывается по формуле [4]:

С

Р

ф ном

ф раб

2 fU2

(*ЕФ „ох " tg<P жел

(1)

где tg<pисх = 0,75 - исходное значение коэффициента реактивной мощности (соответствует значению коэффициента мощности cosф = 0,8);

tg<pжел = 0 - желаемое значение коэффициента реактивной мощности (соответствует значению коэффициента мощности cosф = 1,0);

Рф ном = 21000 Вт - принятое значение номинальной активной мощности, потребляемой одной фазой АД НВА-55 в номинальном режиме;

U

ф ном

= 220 В - действующее значение номинального фазного напряжения;

f = 50 Гц - частота первой гармоники питающего напряжения. 21000

С

ф раб

2 •50•220:

(0,75 - 0) = 0,001 Ф = 1000 мкФ .

Сравнение расчетных и опытных характеристик номинального режима работы АД НВА-55

U л, в ' Ф, А Р, кВт Рм^ Рм2 , Рот , КПД, % cos ф , п2, M, Нм

кВт Вт Вт Вт о.е. об/мин

Ли- Ток Актив- Мощ- Потери Поте- Поте- Коэф- Коэффи- Частота Момент

нейное фазы ная по- ность в меди ри в ри в фициент циент вращения на валу

на- статора треб- на стато- меди стали полез- мощно- ротора

пряже ляемая валу ра ротора ного сти

ние мощ- дейст-

ность вия

Согласно протоколу испытаний ОАО «ВЭлНИИ» , г. Новочеркасск

379 116 62,2 55,8 1930 2310 1600 89,7 0,817 1441,5 369,8

Согласно эасчету (моделированию) в САПР OrCAD 9.2

380 113 1 58,9 55,0 1635 2229 1531 93,4 0,792 1442,4 364,4

Выражение (1) может быть записано иначе:

1

С

2 fU ф2

2 (Q§ ном исх Q<\> ном жел) ном

(2)

где ном исх и 0>ф ном жел - исходное и желаемое значения реактивной мощности.

При соединении компенсирующих конденсаторов по схеме «треугольник» формула (1)

записывается так:

С

ф ном

2 /и.

2

л ном

^Ф исх - жел)

(3)

где ил ном - действующее значение номинального линейного напряжения.

Значение фазных емкостей пусковой ступени выбирается по критерию минимизации тока фазы вторичной обмотки трансформатора в процессе пуска АД и составило в нашем случае 7000 мкФ на фазу. Обратным счетом по формуле (2) можно подсчитать, что при включении обеих ступеней емкостного компенсатора (по 8000 мкФ на фазу) компенсируемая реактивная мощность фазы составляет около 122 кВАр. Момент времени отключения пусковой батареи конденсаторов выбирается так, чтобы ток в фазе вторичной обмотки трансформатора был меньше тока фазы АД в течение всего времени пуска.

В САПР ОтСЛБ 9.2 [5] была составлена компьютерная модель, имитирующая работу схемы, представленной на рисунке 1. Вопросы синтеза компонентов модели подробно освещены в работах [6 - 8]. Математические модели трехфазных АД и трансформатора выведены на основе математической модели обобщенной электрической машины в трехфазных заторможенных координатах [9]. Результаты моделирования прямого пуска АД НВА-55, приводящего во вращение поршневой компрессор двойного сжатия, с двухступенчатой компенсацией реактивной мощности показаны на рисунках 2 - 5. На рисунке 2 показан процесс разгона АД.

Рисунок 2 - Процесс разгона АД: t1 - момент времени отключения пусковой ступени емкости

Начало процесса разгона представлено на рисунке 3.

На рисунках 2, 3 графики имеют следующую нумерацию: 1 - частота вращения ротора АД; 2 - момент нагрузки на валу АД; 3 - ток фазы статора АД; 4 - ток фазы вторичной обмотки трансформатора; 5 - напряжение фазы АД.

№ 3(11) 2012

2000

%

Нм; Об/мин

1,

М.

Т1,

-1000

-1500

4 11 А1 Щ з К / ! \ \ / \ !

I /1 1 /! 1 \ 5 А V / V / ' \ X 2 '4 1 / / \ 1 \ Л * ! I гЛ^

---- \ л ''-'ч. 1 ■ \ \ \ \„ 1 1 1 1 ! V / 4 \ Ш / 1 / М ч * V < \ 'Л ^ * /? 1 ! / ! 1 / / /

\ / \ У

о

10

20

30

40

1

50 мс ->

70

Рисунок 3 - Начальный участок процесса разгона АД

Установившийся режим по окончании процесса пуска показан на рисунке 4, сопутствующие графики линейных напряжений на синус-фильтре приведены на рисунке 5.

400

В, А

-200

-400

0.980

я \ / * V ф / £ * \ 1 V ъ \

/ г г г * / 9 , а ■ ■ к \ А щ.......4 ч V 1 «1 % 11 ^__*

" / ......•■"" * * А \

ч \ % * г / г / V

0.985 1

0.990

1.000

Рисунок 4 - Установившийся режим АД по окончании процесса пуска

Результаты компьютерного моделирования свидетельствуют об эффективности использования емкостной компенсации реактивной мощности при прямом пуске и в установившемся режиме работы асинхронного двигателя, в том числе если он питается напряжением от СПСН электровоза. В установившемся режиме первая гармоника тока вторичной обмотки трансформатора составляет около 38 % от первой гармоники тока АД, в ходе разгона АД эта доля составляет примерно 65 - 70%.

Отметим, что в нашем вычислительном эксперименте в установившемся режиме АД наиболее выраженная 5-я временная гармоника тока вторичной обмотки трансформатора составляет 10 % от первой, в спектре тока фазы АД 5-я гармоника равна 4 % от первой. В этой

= 1

связи нужно иметь в виду, что на гармоническии состав токов и напряжении рассматриваемого вспомогательного электропривода значительное влияние оказывают параметры синус -фильтра.

Рисунок 5 - Линейное напряжение на входе (импульсы) и на выходе (синусоида) синус-фильтра

Например, уменьшение индуктивности синус-фильтра до 0,85 мГн на фазу было бы вполне допустимо при отсутствии в схеме конденсаторных батарей компенсации реактивной мощности, но при их наличии возникают значительные искажения формы кривых токов и напряжений. Так, в установившемся режиме АД 5-я гармоника тока вторичной обмотки трансформатора составит уже 147 % от первой, для тока фазы АД аналогичное соотношение составит 60 %.

Из рисунка 5 видно, что ток вторичной обмотки трансформатора имеет несколько опережающий по отношению к напряжению фазы АД фазовый сдвиг. Имеет место перекомпенсация реактивной мощности АД, емкость рабочей ступени конденсаторов несколько завышена. Это произошло потому, что мощность МК ниже номинальной мощности НВА-55, в то время как расчет емкости рабочей ступени конденсаторов произведен для номинального режима.

Список литературы

1. Захарченко, Д. Д. Тяговые электрические машины и трансформаторы: Учебник [Текст] / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов, Е. В. Горчаков. - М.: Транспорт, 1979. - 303 с.

2. Хоменко, Б. И. Вспомогательные транзисторные преобразователи для перспективного ЭПС [Текст] / Б. И. Хоменко, Г. И. Колпахчьян, И. В. Пехотский // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всеросс. науч.-исследовательский и проектно-конструкторский инс-т электровозостроения, Новочеркасск. - 2003. - Т. 45. - С. 184 - 191.

3. Рутштейн, А. М. Регулируемый вспомогательный электропривод электровоза ЭП1 [Текст] / А.М. Рутштейн // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всеросс. науч.-исследовательский и про-ектно-конструкторский инс-т электровозостроения, Новочеркасск. - 1998. - Т.40. - С. 213 - 221.

4. Сибикин, Ю. Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учебник [Текст] / Ю. Д. Сибикин, М. Ю. Сибикин, В. А. Яшков. - М.: Высшая школа, 2001. - 336 с.

5. Болотовский, Ю. И. ОгСЛБ. Моделирование. «Поваренная» книга [Текст] / Ю. И. Бо-лотовский, Г. И. Таназлы. - М.: Солон-Пресс, 2005. - 200 с.

6. Пехотский, И. В. Моделирование электромагнитных процессов в трансформаторах [Текст] / И. В. Пехотский, М. Ю. Пустоветов, С. Ю. Пустоветова // Вестник ВЭлНИИ / ВЭлНИИ. - Новочеркасск, 2004. - № 2. - С. 78 - 85.

7. Пустоветов, М. Ю. Расчет параметров синус-фильтра при несущих частотах ШИМ 9001000 Гц [Текст] / М. Ю. Пустоветов, И. В. Синявский // Новые технологии, конструкции и процессы производства: Сб. науч. тр. / Ростовская гос. акад. с.-х. машиностроения. - Ростов-на-Дону, 2009. - С. 134.

8. Модель асинхронного электропривода, выполненная в системе ОтСЛБ 9.2 [Текст] / М. Ю. Пустоветов, И. В. Пехотский и др.// Оптимизация режимов работы систем электроприводов: Межвуз. сб. науч. тр. / Красноярский гос. техн. ун-т. - Красноярск, 2002. -С. 42 - 51.

9. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин: Учебник [Текст] / И. П. Копылов. - М.: Высшая школа, 1994. - 318 с.

УДК 621.331:621.311

М. М. Соколов

КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ

В статье рассматриваются вопросы контроля состояния проводов линии электроснабжения устройств железнодорожной автоматики. Предложена методика определения поврежденного провода и места обрыва с использованием математического аппарата алгебры логики.

Для безопасного и бесперебойного движения поездов необходимо качественное и непрерывное электроснабжение всех систем железнодорожного транспорта, в том числе и объектов железнодорожной автоматики (ЖА) [1, 2].

Требования к качеству электроснабжения регламентируются отраслевыми стандартами ОАО «РЖД» [2 - 4]. Устройства ЖА, расположенные на перегоне, как потребители электрической энергии имеют свои специфические особенности [4, 5].

электроприемники являются потребителями первой категории;

электрическая энергии к потребителям поступает от воздушной трехфазной линии - ВЛ СЦБ или линии продольного электроснабжения, которые подвержены влиянию различных климатических факторов (перепады температур, ветер, гололедные образования, атмосферные перенапряжения), а также механическому воздействию, что приводит к возникновению различных повреждений;

электроприемники являются однофазной нагрузкой и распределены по всей длине линии.

Важным мероприятием, обеспечивающим надежную и бесперебойную работу устройств ЖА, является быстрое восстановление элементов электроснабжения при повреждении.

Время восстановления работы системы электроснабжения определяется временем поиска места отказа и временем его непосредственного устранения. В случае с ВЛ СЦБ время поиска повреждения может оказаться значительным вследствие большой ее протяженности. Согласно статистическим данным ОАО «РЖД» 18,5% отказов в электроснабжении устройств СЦБ приходится на повреждения проводов.

Современные системы защиты и диагностики ВЛ СЦБ могут определять следующие типы отказов: однофазное заземление на землю (ОЗЗ), двухфазные короткие замыкания, в том числе двойные замыкания на землю, и трехфазные короткие замыкания, в то время как средств диагностирования однофазного обрыва (ОО) не существует. К случаю ОО следует