Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1 Анализ методов диагностирования технического состояния и особенности посреремонтных испытаний асинхронных двигателей 10
1.1. Анализ основных методов технической диагностики электрических машин. Место послеремонтных испытаний в задачах диагностирования технического состояния асинхронных электродвигателей 10
1.2. Особенности испытаний АД после ремонта на судоремонтных предприятиях Камчатского края. Определение причины развития проблемы ухудшения технического состояния АД после ремонт 20
Выводы по разделу 1 28
РАЗДЕЛ 2 Анализ решений и методов проведения испытаний асинхроннх электродвигателей после ремонта 30
2.1 Общая характеристика испытательных стендов .30
2.2 Методы испытания электродвигателей с применением непосредственной нагрузки 31
2.3 Методы испытания электродвигателей при помощи искусственного нагружения 42
2.4 Элементы теории искусственного нагружения машин переменного тока .45 Выводы по разделу 2 .52
Раздел 3 Моделирование процесса искусственного нагружения трехфазных электродвигателей .54
3.1 Разработка математической модели трехфазного асинхронного электродвигателя .54
3.2 Оценка параметров схемы Т-образной замещения трехфазного асинхронного электродвигателя .59
3.3 Испытания трехфазного асинхронного электродвигателя в режиме искусственного нагружения путем изменения частоты питающего напряжения 64
3.4 Построение модели устройства для искусственного нагружении АДТ с понижением частоты питающего напряжения до 50 Гц 84
3.5 Разработка схемы энергоэффективного искусственного нагружения АДТ в процессе послеремонтных испытаний .94
Выводы по разделу 3 106
РАЗДЕЛ 4 Моделирование процесса искусственного нагружения однофазных асинхронных электродвигателей .108
4.1 Однофазные электродвигатели: особенности эксплуатации, исполнения и анализ типовых неисправностей 108
4.2 Моделирование однофазного асинхронного электродвигателя 115
4.3 Разработка математической модели АДО .115
4.4 Оценка параметров схем замещения АДО .122
Выводы по разделу 4 131
РАЗДЕЛ 5 Экспериментальные исследования процесса искусственного нагружения судовых асинхронных электродвигателей 132
Выводы по разделу 5 142
Заключение .144
Список условных сокращений .147
Список литературы
- Особенности испытаний АД после ремонта на судоремонтных предприятиях Камчатского края. Определение причины развития проблемы ухудшения технического состояния АД после ремонт
- Методы испытания электродвигателей при помощи искусственного нагружения
- Оценка параметров схемы Т-образной замещения трехфазного асинхронного электродвигателя
- Разработка математической модели АДО
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в Российской федерации происходит сокращение рыбопромыслового флота по причине его морального и физического износа. Согласно официальному прогнозу правительства по Дальневосточному региону в период с 2010 по 2020 год планируется сократить рыбопромысловый флот в два раза – до 750 единиц, однако ресурсов для замены списываемых судов нет. По этой причине рыбопромысловые компании стремятся продлить ресурс оборудования судов. Это привело к тому, что судоремонтные заводы заполнены электрооборудованием, требующим восстановления, ремонта, профилактического обслуживания. Подавляющее большинство такого оборудования – электрические машины.
Технический уровень ремонтных предприятий Дальневосточного региона значительно ниже заводов-изготовителей, поэтому даже после проведения обязательных послеремонтных испытательных мероприятий, повторный выход из строя отремонтированной машины является нередким явлением.
Наибольшее распространение на судах рыбопромыслового флота нашли трехфазные и однофазные асинхронные электродвигатели (АД). Работы по восстановлению их ресурса являются технологически сложными, где важным послеремонтным этапом является проверка и испытания электродвигателей.
В настоящее время на судоремонтных предприятиях применяется упрощенная процедура испытаний асинхронных электродвигателей после ремонта, направленная на уменьшение состава испытательного оборудования, снижения сроков испытаний.
В работах известных ученых и коллективов судоремонтных заводов, таких как Слоним Н. М., Каминский М. Л, Жерве Г. К. предлагаются различные варианты решения задачи продления ресурса электродвигателей.
В настоящее время характерной особенностью большинства решений является несоответствие режимов работы при испытаниях асинхронных электродвигателей после ремонта реальным режимам эксплуатации. В основном, это обусловлено сложностью конструктивных решений существующих испытательных стендов.
Таким образом, исследования, направленные на решение задач повышения ресурса электродвигателей, их восстановления и, что главное, послере-монтных испытаний являются актуальными.
Объектом исследования является процесс искусственного нагружения (ИН) асинхронных электродвигателей и его характеристики.
Предметом исследования является устройство для испытаний асинхронных электродвигателей после ремонта.
Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка научно обоснованных технических решений, позволяющих обеспечивать испытания судовых асинхронных электродвигателей в режимах, наиболее близких к эксплуатационным.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
- провести анализ существующих систем диагностирования АД;
разработать математическую модель процесса искусственного нагруже-ния асинхронных электродвигателей; провести модельные эксперименты по определению параметров процесса искусственного нагружения;
разработать энергоэффективный метод нагружения АД, а также произвести оценку отдаваемой в сеть энергии при искусственном нагружении;
разработать экспериментальный стенд для нагружения АД и провести на его основе проверку математической модели на адекватность реальным физическим процессам.
Научная новизна состоит в следующем.
Впервые:
получены параметры процесса искусственного нагружения асинхронных электродвигателей, которые учитывают эффект рекуперации электроэнергии и позволяют интенсифицировать процессы испытаний;
разработана математическая модель процесса искусственного нагруже-ния асинхронного электродвигателя с рекуперацией энергии, работа с которой позволила уточнить характеристики режимов испытаний электродвигателей.
Получили дальнейшее развитие:
технология нагружения АД в режиме, эквивалентном реальному нагрузочному, что позволяет отказаться от применения дополнительных внешних нагрузочных устройств;
схемы энергоэффективного нагружения АД с взаимным обменом электрической энергии АД с сетью, а также между собой в пределах цеха, при достаточном объеме испытуемых одновременно электродвигателей различных мощностей.
Практическая значимость:
предложена и экспериментально подтверждена в лабораторных условиях технология испытания после ремонта асинхронных электродвигателей;
установлены рациональные технологические режимы процесса искусственного нагружения асинхронных электродвигателей;
разработана электрическая принципиальная схема стенда для послере-монтных испытаний АД;
разработаны рекомендации по проведению процесса испытаний АД после их ремонта.
Личный вклад автора. При непосредственном участии автора разработаны принципиальные схемы испытательных стендов для трехфазных асинхронных двигателей (АДТ) с рекуперацией электрической энергии в сеть. Разработаны математические модели (ММ) однофазных асинхронных двигателей (АДО) и АДТ с учетом потерь в стали, выполнен анализ существующих методов испытания асинхронных двигателей (АД), проведено компьютерное моделирование процесса ИН АДО и АДТ, изготовлены составные части и выполнена сборка макета стенда для испытаний АД.
Методология и методы научного исследования. Работа выполнена с применением методов анализа и синтеза, математической обработка резуль-4
татов, математического и компьютерного моделирования и экспериментальных исследований. Теоретической и методологической базой диссертационного исследования являются законы электротехники.
Основные положения работы, выносимые на защиту.
Математическая модель процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя с рекуперацией электроэнергии.
Экспериментально определенные значения параметров процесса динамического нагружения.
Устройство для испытаний электрических машин, защищенная патентом на полезную модель № 149583 U1 от 10.01.2015, патентом на полезную модель № 131199 U1 и методика послеремонтных испытаний электродвигателей.
Степень достоверности полученных в работе результатов обеспечивается использованием фундаментальных положений теоретической электротехники, электроники и электрических машин, методов математического анализа; использованием оборудования и поверенных измерительных приборов, обеспечивающих достаточную точность измерения; обсуждением на научных конференциях результатов исследования с дальнейшей их публикацией
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Камчатского государственного технического университета, Государственной академии нефти и газа им. Губкина, Морской академия им. Адмирала Макарова, Одесской национальной морской академии.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано работ 14, из них семь работ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента на полезную модель, опубликована одна монография.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка условных обозначений и сокращений, библиографического списка, включающего 95 наименований, приложений.
Особенности испытаний АД после ремонта на судоремонтных предприятиях Камчатского края. Определение причины развития проблемы ухудшения технического состояния АД после ремонт
В настоящее время экспертные системы как метод технической диагностики получили развитие, но их применение ограничено рядом причин. Применение нечеткой логики и систем искусственного интеллекта теоретически смогут повысить точность определения характера и мест неисправности по совокупности полученных параметров. Но капитальные затраты на проектирование и производство таких систем их малая изученность не позволяют их практически применять при послеремонтной диагностике электрических машин.
Статистическая (накопительная) диагностика – известный метод, обладающий массой положительных качеств. Главное из них – возможность получения характеристик электрической машины в режиме, соответствующему ее эксплуатационному, что позволяет производить сравнение полученных данных об объекте с номинальными параметрами [4]. Наилучшими характеристиками обладают методы, базирующиеся на использовании принципа текущего анализа энергетического состояния объекта [5]. Наряду с положительными качествами статистических методов диагностики такие системы сочетают в себе простоту конструкции и высокую информативность.
В настоящий момент энергодиагностика электрической машины является перспективной системой диагностирования электродвигателей, позволяющей при минимуме информационного обеспечения от датчиков получить адекватные модели электромеханических систем с учетом характеристик электрических и механических параметров (активных сопротивлений, индуктивностей, момента статического, момента инерции и т.п.) [6].
На рис. 1.3 показаны основные методы диагностики технического состояния электрических машин и видна связь между существующими методами диагностики электрических машин.
Весьма перспективными являются частотные методы, предполагающие питание электродвигателя от преобразователя частоты. Согласно исследованиям, перспективны такие схемные решения, которые не требуют измерения механических параметров, в частности, частоты вращения вала двигателя. Основными параметрами, используемыми для оценки технического состояния являются энергетические параметры, токи и напряжения, а также сдвиг фаз между ними. Если анализ осуществляется сначала для одной частоты, а затем для последующих, можно воспользоваться электромеханическими измерительными приборами при полигармоническом питании необходимо оборудование для спектрального анализа и измерение параметров энергетического режима. Рис. 1.3. Методы диагностики технического состояния электрических машин Определение параметров электрических машин переменного тока рассмотренным путем осуществляется при неподвижном роторе, что может быть обеспечено в случае развиваемого двигателем момента меньше момента холостого хода, или вал двигателя затормаживается с помощью вспомогательных механических устройств. Здесь требуется тщательное исследование задач определения параметров двигателя в режимах, которые исключают выявленные недостатки и можно прийти к выводу, что для решения задач диагностики состояния асинхронных двигателей потребуется источник полигармонического питания с, как минимум, двумя различными частотами.
Особенностью формирования статического момента является его зависимость от основной гармоники, если она является частотой сети, что объясяется малостью моментов от других гармоник. Поэтому при необходимости определения составляющих потерь, эквивалентных статическому моменту, необходимо сформировать напряжение питания с составляющими гармоник отличающихся от основной гармоники порядка. Все это делает возможным исключение статического момента из анализа параметров как при испытаниях АД на холостом ходу, так и под нагрузкой. Получение гармоник таких порядков возможно в схемах питания АД при модуляции питающего напряжения. Реализация систем, обеспечивающих модуляцию напряжения питания, может быть достигнута с использованием транзисторных преобразователей частоты и тиристорных регуляторов напряжения (рис. 1.4).
Необходимость диагностирования зарождающихся дефектов и более детального контроля неработоспособности объекта приводит к поиску диагностических признаков, отвечающих требованиям точности и откликающиеся на самые незначительные изменения параметров машины от установленных значений.
На рис. 1.4 представлены техническая реализация силовой части устройств диагностирования асинхронных двигателей на базе симметричного регулятора переменного напряжения и на базе однофазного регулятора переменного напряжения. Такие схемы позволяют переводить объект в режимы, позволяющие производить более эффективную диагностику технического состояния электрической машины по изменению параметров. Задачи получения и обработки информации решаются с использованием современных вычислительных средств с высоким уровнем программного обеспечения. Благодаря быстрому развитию вычислительной техники приобретают большое значение применение систем контроля, оснащение машин и механизмов автоматизированными диагностическими системами на базе микроконтроллеров, а в особо важных случаях промышленными ЭВМ [7]. Такая постановка позволяет сформировать структуру комплекса оборудования для диагностики технического состояния электрических машин.
Методы испытания электродвигателей при помощи искусственного нагружения
Одновременно с этим кратковременно в течение 1,5-2 с через управляемый тормозной модуль 12, подключают активную нагрузку в виде блока сопротивлений 13. С этого момента электродвигатель 1 переходит в режим генератора, который через цепь 11 передает энергию к сопряженному электродвигателю 2. Эффективность способа испытания асинхронных электродвигателей достигается за счет сокращения энергозатрат до 70-75 %, так как потребляемая мощность при испытаниях снижается и составляет всего 25-30 % от номинальной мощности электродвигателя. Дополнительный эффект, достигается за счет возможности проведения испытаний под нагрузкой при различных частотах вращения электродвигателей.
Данному способу присущи недостатки: - невозможность рекуперации электроэнергии в сеть при использовании преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Данное устройство обеспечивает двойное преобразование энергии при помощи выпрямителя и инвертора, которые не осуществляют работу в обратном направлении. Для этих целей возможно применение преобразователей с непосредственной коммутацией. Однако с применением данного устройства связаны трудности по гашению поля и устойчивой работе асинхронного электродвигателя в генераторном режиме; - наличие механических связей между электрическими машинами. Как и во всех нагрузочных стендах с механическими связями испытания машин затруднены процессом центровки и установки на фундамент (станины); - применение однотипных преобразователей частоты. На судоремонтных заводах процесс послеремонтных испытаний электродвигателей проводится для очень большого (сотни наименований) числа различных типов и назначения. Кроме того, что устройство предусматривает испытания машин примерно одинаковой мощности с целью получения оптимального для данного двигателя нагрузочного момента, оно также предусматривает применение одинаковых, довольно дорогостоящих, преобразователей.
При соединении электрических машин друг с другом правильное выполнение центровки валов механизмов определяет надежность эксплуатации электрических машин [20]. Центровка валов включает две основные операции: выверку линии валов) и собственно центровку, т. е. устранение боковых и угловых смещений валов соединяемых машин и механизмов.
Для обеспечения правильного распределения нагрузок между подшипниками, валы соединяемых машин должны быть установлены в специальное положение. Это такое положение: торцовые плоскости полумуфт в горизонтальной и вертикальной плоскостях должны быть параллельны, а оси валов являться продолжением одна другой (без смещений). Под действием собственного веса ротора ось вала каждой электрической машины принимает несколько изогнутую форму.
Если валы соединяемых машин установить строго горизонтально, то изгибы осей валов приведут к тому, что торцовые плоскости полумуфт не будут параллельны и получат раскрытие вверху, как показано на рис. 2.7.
При работе такого агрегата будет возникать вибрация, оказывая вредное влияние на подшипники и другие части машин. Кроме того, в точках 2 и 3 появятся значительные напряжения от изгибающих моментов, опасные для шеек валов Условие параллельности плоскостей полумуфт выполняется приподнятым положением крайних подшипников 1 и 4 по сравнению с подшипниками 2 и 3 (рис. 2.7, б). При этих условиях общая осевая линия двух валов будет иметь вид плавной кривой (упругая линия вала), а плоскости полумуфт будут параллельны. Проекция этой линии на горизонтальную плоскость должна представлять собой прямую линию.
Для того, чтобы установить роторы в соответствии с указанным требованием, необходимо во избежание грубых неточностей вначале выверить линию валов соединяемых машин по уровню, а затем произвести центровку валов. Также существуют альтернативные способы соединения электрических машин. Гибкая муфта и ременные передачи направлены на решение этой проблемы, но их применение для испытаний электрических машин затруднено.
Существенная рекуперация энергии возможна только с применением нескольких электрических машин, механически соединенных между собой. Если процесс соединения машин при помощи таких приспособлений упрощается, то проблема согласования частот на больших скоростях и согласование машин по высоте остается. Первая проблема обусловлена проскальзыванием ременных передач. Вторая напрямую зависит от размеров машины. Применение ременных передач может исключить процесс центровки, но положение машин должно оставаться фиксированным, а само соединение быстро изнашивается и является весьма ненадежным. Это приводит к применению станин и передач фиксированных размеров для каждого определенного типа машины, что является затруднительным, так как парк электродвигателей насчитывает множество разновидностей машин, которые проходят через цеха судоремонтных предприятий 2.3 Методы испытания электродвигателей при помощи искусственного нагружения
Близким к данному типу по технической сущности является устройство для динамического нагружения асинхронного электродвигателя.
Примерные механические характеристики при периодическом изменении частоты представлены на рис. 2. 9. На участке от точки 0 до точки b происходит разгон электродвигателя. Участок bc соответствует переходу в генераторный режим асинхронного двигателя, который при резком изменении частоты начинает работать по второй механической характеристике f2. Торможению электродвигателя при отдаче электроэнергии в сеть соответствует участок cd. Переходу из генераторного режима в двигательный соответствует участок da. Рисунок 2.9 – Механические характеристики испытуемого электродвигателя
Недостатком этого устройства являются плохие массогабаритные характеристики, необходимость компенсации гармонических составляющих синусоидального сигнала выходного напряжения, сложность алгоритма управления устройством. Указанные недостатки обусловлены наличием тиристорного преобразователя частоты инверторного типа, который обеспечивает взаимный обмен энергией между сетью и электродвигателем. Кроме того, существующее преобразовательное оборудование такого типа не может быть использовано для нагружения асинхронных электродвигателей большой мощности.
Рекуперация электроэнергии в сеть переменного тока является проблематичной, так как для параллельной работы с сетью необходимо согласование напряжений по фазе. Для режима рекуперативного торможения, в целях уменьшения гармоник, могут применяться фильтры, но их применение уменьшает отдаваемую энергию в сеть, что напрямую скажется на общем КПД системы.
Оценка параметров схемы Т-образной замещения трехфазного асинхронного электродвигателя
Произведен расчет параметров СЗ более чем для пятнадцати двигателей серии 4А с синхронными частотами вращения 1000, 1500 и 3000 об/мин мощностью от 0,09 до 15,0 кВт. Сравнение каталожных данных с рассчитанными по предложенной методике дает относительные погрешности, не превышающие для машин мощностью: до 1 кВт - не более 17 %, для сопротивлений рассеяния и активных сопротивлений, и погрешность не превышающую 18 %, для ветви намагничивания; от 1 кВт до 15,0 кВт - не более 13 % для сопротивлений рассеяния и активных сопротивлений, и погрешность не превышающую 15 %, для ветви намагничивания. Так, для АД 4А56А2 при параметрах СЗ R1= 66 Ом, R 2= 44 Ом, X1 = 22 Ом, X 2 = 27 Ом и Xm= 590 Ом для номинальной статической нагрузки Mн=0,62 Н-м и принятой мощности потерь в стали АРст = 23 Вт, обеспечиваются значения: со = 288,9 рад/с, I 1 = 0,51 А, cos ф = 0,787 и л = 0,666. Для АД 4А80А4 при параметрах СЗ R 1= 9,2 Ом, R 2= 6,2 Ом, X 1 = 6,0
Возникновение режима искусственного нагружения связано с введением возмущения в работу электродвигателя и, в результате, приводит к переходным процессам в механической части. Примером таких воздействий применительно к системам испытаний могут быть все способы изменения координат электрических двигателей (ЭД) [39]. Для электродвигателей известны способы разгона, торможения и регулирования скорости. Системы, осуществляющие такое воздействия на ЭД можно назвать динамическими.
Термин «искусственное нагружение» эквивалентен термину «динамическое нагружение» и означает возникновение эквивалентного (желательно - номинального) тока, момента, эквивалентной механической мощности на валу электрической машины [43]. Слово «искусственное» лишь подчеркивает, что такой режим создается целенаправленно, искусственно, для испытаний и нехарактерен для обычных режимов работы ЭД. Мощность на валу напрямую зависит от момента и угловой скорости и прямо пропорциональна произведению этих величин. Поэтому можно считать, что получение максимальной мощности напрямую зависит от максимальных значений момента и угловой скорости. При этом максимальные значения этих величин ограничены, в том числе и условиями механической прочности узлов машины [43].
Известны способы регулирования частоты электродвигателей переменного тока. Как было обосновано в разделе 2.2, одним из перспективных является способ изменения частоты питающего напряжения [44]. Резкое снижение частоты питающего напряжения способствует созданию режима искусственного нагружения и режима генераторного торможения, соответственно. Рисунок 3.4 – Векторная диаграмма АД в режиме генераторного торможения На рис. 3.4 построена векторная диаграмма асинхронного двигателя в режиме генераторного торможения. Вектор первичного тока І± = /м + (—/г) вследствие поворота /2 почти на 180 также поворачивается в сторону вращения часовой стрелки [45]. При этом р± 90 и 11а = I± coscp1 0; Р± = m1U1I1 cos р± 0 , т. е. активные составляющие первичного тока и первичной мощности изменяют знак. Это означает, что машина уже не потребляет, как в режиме двигателя, а отдает в сеть активную мощность и активный ток, т. е. работает в режиме генератора и преобразует потребляемую с вала механическую энергию в электрическую.
Из векторных диаграмм следует также, что реактивные составляющие тока /lr = I± smq)1 и мощности Q± = m1U1I1 smq)1 при переходе машины из двигательного режима в генераторный сохраняют свои знаки.
Получение длительного установившегося генераторного режима генератора у АДТ затруднено, так как асинхронный генератор может работать только на сеть, к которой приключены такие электрические машины и устройства (например, синхронные генераторы или компенсаторы, конденсаторы), которые могут являться источниками реактивной мощности, потребляемой асинхронным генератором для создания в нем магнитного поля или потока.
Когда электродвигатель работает на своей механической характеристике, его номинальному моменту соответствует точка Ъ. Далее путем изменения частоты питающего напряжения двигатель переходит на работу по второй механической характеристике, переводится в режим рекуперативного торможения. На отрезке cd происходит торможение до установившейся скорости в соответствии с частотой сети [46].
Разработка математической модели АДО
После удовлетворительных результатов по получению режима искусственного нагружения АДТ основной задачей является оценка отдаваемой мощности в процессе рекуперации [60].
В разделе 3.2. было определено, что оптимальным является метод искусственного нагружения с понижением частоты напряжения. Кроме того, данный метод позволяет сохранить часть запасенной энергии, но применение обратимых полупроводниковых преобразователей может быть неоправданным, так как затраты на установку подобной системы могут быть несопоставимы с реальной экономией электрической энергии при испытаниях электродвигателей небольшой мощности, на которые данный способ рассчитан. В случае получения удовлетворительных результатов, также необходимо разработать схемы, позволяющие аккумулировать электроэнергию и использовать ее в пределах судоремонтного цеха для испытаний электродвигателей постоянного или переменного тока. Схема нагрузочного устройства без возможности возврата электроэнергии в сеть представлена на рис. 3.30 [61]. Устройство работает следующим образом. В первый момент времени асинхронный электродвигатель АД подключается к сети f1 с частотой 50 Гц, при этом открыт тиристорный ключ, в результате чего АД вращается с номинальной частотой. Далее АД отключается от сети и подключается к делителю частоты на тиристорах, который обеспечивает выходной сигнал f2 с пониженной частотой, при этом тиристорный ключ закрывается. Рисунок 3.30 – Схема нагрузочного устройства Применение делителя частоты позволит значительно упростить систему, так как позволит избежать применения многофункциональных промышленных частотных преобразователей. Управление тиристорным переключателем и делителем осуществляется при помощи блока управления, оснащенного микроконтроллером. Асинхронный электродвигатель АД снижает обороты путем рекуперативного торможения с отдачей электроэнергии в сеть, в результате чего достигается эффект экономии затраченной электроэнергии. После установления номинальной частоты вращения АД снова подключается к сети f1. При циклическом переключении f1 и f2 возникающий механический момент позволяет создать эквивалент механической нагрузки без применения дополнительных устройств.
Делитель частоты состоит из тех комплектов тиристоров VS1-VS3. Принцип работы делителя частоты подробно представлен на рис. 3.31. Деление частоты в два раза в каждой фазе обеспечивается поочередным отпиранием тиристоров.
Принцип работы делителя частоты Первоначально открытые тиристоры VS1 пропускают ток только в прямом направлении. В момент времени t1 оказываются открытыми тиристоры VS1, пропускающие ток в обратном направлении. Так формируется напряжение частотой 25 Гц в фазе А электродвигателя. Также происходит отпирание тиристоров VS2 c начальной фазой напряжения 2 = 240 градусов и формируется напряжение фазы B электродвигателя. Аналогично происходит формирование кривой напряжения фазы C электродвигателя поочередным отпиранием VS3 с начальной фазой 3= 480 градусов. Далее цикл повторяется со сдвигом 240 градусов, тем самым обеспечивается сдвиг фазы 120 градусов для напряжения частотой 25 Гц, в два раза меньшей заданной первоначально частоты. Основным недостатком переключения на сеть с пониженной частотой является необратимость частотного преобразователя, поэтому для подтверждения эффективности предлагаемого метода была использована система «Тиристорный преобразователь-двигатель», изображенная на рис. 3.32
ТП - тиристорный преобразователь, ДПТ- двигатель постоянного тока, CГ синхронный генератор, БК - блок коммутации, АД - асинхронный двигатель трехфазный При проведении данного опыта сброс частоты вращения АД происходил при помощи резкого сброса напряжения на якоре ДПТ изменением выходного напряжения ТП. Нужно отметить, что отдаваемая в сеть электрическая энергия не достигнет полупроводникового ТП и будет израсходована на трение ДПТ [62].
Перед проведением эксперимента в реальных условиях предлагаемая модель была спроектирована в программе Matlab. Разработанная модель представлена на рис. 3.33 [63]. Рисунок 3.33 – Компьютерная модель с использованием синхронного генератора и приводного двигателя постоянного тока. Блоки: 1 - трехфазная сеть; 2 - двигатель постоянного тока; 3 - синхронный генератор; 4 -трехфазный переключатель; 5 - управляющий контроллер
Блок 1 представляет собой сеть частоты 50 Гц, сеть кратной частоты 25 Гц реализована при помощи двигателя постоянного тока, изменение скорости вращения которого осуществляется изменением напряжения на якоре (блок 2), приводящего во вращение синхронный генератор (блок 3). Механическое соединение электрических машин реализовано при помощи жесткой связи [64], причем номинальная скорость вращения электродвигателя соответствует номинальной скорости генератора. При этом уменьшение частоты питающего напряжения сети 2 привело к уменьшению угловой скорости синхронного генератора и уменьшению скорости испытуемого электродвигателя в два раза, соответственно [65,66]. Блок 4 представляет собой ключ, управляемый при помощи микроконтроллера 5, реализующего управляющий сигнал по времени. Эксперимент проводился в пределах одного переключения.
Первоначально было определено время переходного процесса, т. е время, за которое электродвигатель набирает заданную частотой сети скорость. нагружения Видно, что режим рекуперативного торможения протекает от 0,25 до 0,37 с. Значительная часть запасенной электрической энергии отдается в сеть. На рис. 3, б изображен момент электродвигателя. Процесс торможения сопровождается отрицательными значениями момента (на участке от 0,25 до 0,35 с). Созданный на валу электромагнитный момент в режиме рекуперативного торможения является эквивалентом нагрузочного момента. Для определения средней эквивалентной мощности на валу машины производилось интегрирование механического момента на отрезке времени от 0,25 до 0,5 с, что соответствует времени процесса нагружения.
Полученное значение средней механической мощности на валу в процессе интегрирования представлено на рис. 3.35 По оси ординат приведена средняя мощность на валу в процессе интегрирования.
При резком понижении частот питающего напряжения с 50 Гц на 25 Гц мощность на валу машины достигает порядка 58 %, что является достаточно хорошим показателем. Другими словами, достигается значительное увеличение нагрузочной мощности на валу электродвигателя.