Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ способов и средств контроля энергетических характеристик асинхронных электроприводов 17
1.1. Структура и энергетические характеристики системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель 17
1.2. Способы определения энергетических характеристик асинхронных электроприводов 23
1.3. Сравнительный анализ современных диагностических комплексов электрических машин 32
1.4. Анализ характерных особенностей контроля энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями частоты 36
1.5. Постановка задачи исследования 39
Выводы 41
ГЛАВА 2. Разработка метода контроля энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями частоты 42
2.1. Вывод уравнений связи между обобщенными векторами и параметрами схемы замещения асинхронного двигателя 42
2.2. Разработка алгоритма определения энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями астоты по мгновенным значениям фазных токов и напряжений статора двигателя 57
2.3. Основные положения методики контроля энергетических характеристик системы ПЧ - АД по измеренным мгновенным значениям фазных токов и напряжений 59
2.4. Контроль метрологических характеристик системы ПЧ-АД 61
Выводы 67
ГЛАВА 3. Экспериментальная проверка работоспособности методики контроля энергетических характеристик 69
3.1. Разработка плана экспериментальных исследований 69
3.2. Разработка и создание экспериментальной установки 71
3.3. Экспериментальное определение энергетических характеристик асинхронного электропривода с преобразователями частоты 75
3.3.1. Требования по безопасности проведения измерений 75
3.3.2. Процедура обработки результатов измерений 76
Выводы 83
ГЛАВА 4. Разработка приборного комплекса контроля энергетических характеристик частотно регулируемых электроприводов 85
4.1. Обоснование общих и частных требований к приборному комплексу 85
4.1.1. Разработка общих требований к приборному комплексу 85
4.1.2. Разработка частных требований для экспериментальной установки и приборного комплекса оценки энергетической эффективности 88
4.2. Разработка структурной схемы и алгоритма функционирования приборного комплекса 91
4.2.1. Разработка структурной схемы приборного комплекса 91
4.2.2. Разработка алгоритма функционирования приборного комплекса 92
4.3. Разработка конструкции и программного обеспечения приборного комплекса 93
4.3.1. Разработка конструкции приборного комплекса 93
4.3.2. Разработка программного обеспечения приборного комплекса 96
4.4. Метрологический анализ приборного комплекса и экспериментальной установки 99
4.5. Опыты по применению прототипа приборного комплекса контроля энергетических характеристик системы ПЧ-АД 102
Выводы 112
Заключение 113
Список использованной литературы 115
Список основных публикаций автора 126
- Способы определения энергетических характеристик асинхронных электроприводов
- Разработка алгоритма определения энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями астоты по мгновенным значениям фазных токов и напряжений статора двигателя
- Экспериментальное определение энергетических характеристик асинхронного электропривода с преобразователями частоты
- Разработка частных требований для экспериментальной установки и приборного комплекса оценки энергетической эффективности
Способы определения энергетических характеристик асинхронных электроприводов
В Российской Федерации, по некоторым оценкам, электроприводы потребляют 60%-70% вырабатываемой электроэнергии, при этом большая часть общепромышленных электроприводов является асинхронными нерегулируемыми. Поэтому вклад в решение общей задачи энергосбережения при оптимизации энергетических характеристик электропривода как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации может быть достаточно высоким.
Большинство современных регулируемых асинхронных электроприводов выполняются с преобразователями частоты и имеют функцию энергосбережения. Эта функция позволяет экономить дополнительно от 5% до 60% электроэнергии, за счет настройки преобразователя частоты и поддержания электродвигателя в режиме оптимального КПД [20, 21].
Энергетическая диаграмма асинхронного электропривода на базе системы ПЧ-АД. Процесс преобразования мощности .РШЧ-АД (РИС. 1.1), подводимой к системе ПЧ-АД, в полезную механическую Рг, снимаемую с вала машины, сопровождается потерями мощности на фильтре высших гармоник APahf, на преобразователе частоты АРт, на LC-фильтре APLc, в обмотках статора АРЭЛ1 и ротора АРЭЛ2 электрические потери, в стали статора магнитные потери APmi, а также механическими АРмех и добавочными АРДОб потерями.
К системе ПЧ-АД по питающей сети подводится мощность РЩЦ.АД- ДЛЯ ее определения между сетью и ПЧ-АД устанавливаются датчики измерительных каналов тока и напряжения либо ваттметр.
На практике, подключение измерительных приборов для определения соответствующих мощностей следует выполнять в контрольных точках электроустановки как показано на структурной схеме ПЧ-АД (рис. 1.2). Схема включает в себя элементы, входящие в состав электроустановки: AHF - фильтр высших гармоник, LC-синус-фильтр, преобразователь частоты ПЧ, асинхронный двигатель АД с моментом Мд на валу; Мс - момент сопротивления, создаваемый рабочим органом РО. Контрольные точки для проведения измерений обозначены соответственно КТ1, КТ2, КТЗ, КТ4. На схеме также показаны потери на элементах системы: АРа/г/, АРПЧ, APLC, АР .
Конфигурация структурной схемы ПЧ-АД зависит от состава электрооборудования, а также от доступности для измерительных приборов контрольных точек. Поэтому, в рамках диссертационной работы, рассматриваются следующие возможные варианты компоновки схемы и определения энергетических характеристик.
Вариант 1 - система ПЧ-АД с фильтрами высших гармонических составляющих и LC - 4 контрольные точки: КТ1 - между питающей сетью и фильтром высших гармоник; КТ2 - между фильтром высших гармоник и преобразователем частоты; КТЗ - между преобразователем частоты и LC фильтром; КТ4 - между LC фильтром и асинхронным двигателем.
Вариант 2 - система ПЧ-АД с LC-фильтром; тогда устанавливаются следующие контрольные точки: объединенная (КТ1 = КТ2) - между питающей сетью и преобразователем частоты; КТЗ - между преобразователем частоты и LC фильтром; КТ4 - между LC фильтром и асинхронным двигателем.
Вариант 3 - система ПЧ-АД с фильтром высших гармонических составляющих имеет 3 контрольные точки: КТ1 - между питающей сетью и фильтром высших гармоник; КТ2 - между фильтром высших гармоник и преобразователем частоты; объединенная (КТЗ = КТ4) - между преобразователем частоты и асинхронным двигателем.
Вариант 4 - система ПЧ-АД без фильтров. Имеет 2 контрольные точки: первая объединенная (КТ1 = КТ2) - между питающей сетью и преобразователем частоты и вторая объединенная (КТЗ = КТ4) - между преобразователем частоты и асинхронным двигателем). КПД асинхронных двигателей составляет от 0,7 до 0,95, причем КПД увеличивается с повышением мощности двигателя и с увеличением его частоты вращения [32]. 1.2 Способы определения энергетических характеристик асинхронных электроприводов
В данном подразделе рассматривается следующие способы определения энергетических характеристик: по круговой диаграмме асинхронного двигателя; метод прямых измерений токов, напряжений и активной мощности; система оценки энергетических параметров электропривода переменного тока.
Круговая диаграмма асинхронного двигателя. Круговая диаграмма [25] предназначена для наглядного представления количественных и качественных соотношений токов, мощностей и напряжений в отдельных элементах асинхронной машины. Она является векторной диаграммой схемы замещения асинхронной машины с некоторыми дополнительными построениями. Круговая диаграмма позволяет определить графически все величины, необходимые для построения рабочих и пусковых характеристик двигателя [26, 27, 28, 29, 30].
В основу построения круговой диаграммы положена упрощенная схема замещения (рис. 1.3). где Хт индуктивное сопротивление намагничивающего контура, Х\ -индуктивное сопротивление обмотки статора, R\ - активное сопротивление обмотки статора, Rm - активное сопротивление намагничивающего контура. Ток -І 2 замыкается по контуру, называемому рабочим. В этом контуре индуктивные сопротивления хх и Х 2 при номинальной частоте напряжения питания статора неизменны (определяются по паспорту исследуемого двигателя), а переменное активное сопротивление зависит от скольжения. Ri+F ls (123) Поэтому ток ротора также изменяется при изменении скольжения s. Ток -І 2 принимает максимальное значение при некотором скольжении, соответствующем активному сопротивлению рабочего контура i +R2/ s = 0 При этом ток —12 реактивный и его значение 1 2тх пропорционально диаметру ОВ окружности с центром в точке D (рис. 1.3), являющейся геометрическим местом точек конца вектора Д:
Разработка алгоритма определения энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями астоты по мгновенным значениям фазных токов и напряжений статора двигателя
Проведенные измерения и расчёты показывают принципиальную возможность определения энергетических характеристик при помощи круговой диаграммы, построенной по координатам пространственных векторов тока и напряжения статора, рассчитанных по измеренным мгновенным значениям фазных токов и напряжений статора. Разработанный метод гармонизирован с требованиями ГОСТ 7217-87 и в отличии от него не требует проведения опытов холостого хода и определения тока короткого замыкания при заторможенном роторе асинхронного двигателя.
Таким образом, для оценки энергетических характеристик перечисленных в ГОСТ 7217-87 в системе ПЧ - АД, не требуется останов электроустановки и перевод ее в испытательный режим. Следовательно, возможно создать мобильный переносной прибор для измерений энергетических характеристик в условиях производства.
Экспериментальное определение энергетических характеристик асинхронного двигателя по ГОСТ. Работоспособность предложенного метода контроля энергетических характеристик по измеренным мгновенным значениям фазных токов и напряжений подтверждается достаточной для инженерной практики сходимостью полученных значений с аналогичными характеристиками, рассчитанными по методике, согласно ГОСТ 7217-87.
По экспериментальным данным была также построена круговая диаграмма асинхронного двигателя. Данные для построения определялись путем проведения опытов холостого хода и короткого замыкания [25, А16].
Опыт короткого замыкания проведен на экспериментальной установке, собранной в соответствии с требованиями ГОСТ 7217-87. Структурная схема представлена на рисунке 2.3.
Нагрузка на валу испытуемого электродвигателя задается нагружающим устройством типа «механический тормоз» установлением необходимого момента сопротивления микрометрическим винтовым зажимом. Данное нагружающее устройство позволяет имитировать статическую, либо резкопеременную нагрузку вплоть до полного затормаживания вала испытуемого электродвигателя для создания режима короткого замыкания.
Нагружающее устройство в виде двигателя постоянного тока, управляется тиристорным преобразователем. Направление вращения вала ДПТ устанавливается встречно направлению вращения вала испытуемого асинхронного двигателя.
Рассмотрим последовательность подготовки экспериментальной установки к проведению испытаний АД. Испытуемый асинхронный двигатель устанавливается на станине, где соединяется с валом двигателя постоянного тока с помощью двух упругих втулочно-пальцевых полумуфт, на которых также находится вращающийся диск нагружающего устройства типа «механический тормоз».
Опыт холостого хода проводится при номинальном напряжении U\H0M и работе двигателя без нагрузки. При этом измеряется ток холостого хода /о, напряжение U\ и мощность Ро, потребляемая двигателем, после чего вычисляется cosq)o.
Опыт короткого замыкания проводится при заторможенном роторе и фазном напряжении сети UK подаваемом на обмотки статора. Действующее значение тока 1К, напряжения сети UK измеряется с помощью подключенных датчиков, а также амперметров и вольтметров комплекта К-50 (Рис. 2.5). В эксперименте ток короткого замыкания составил IK = 36,2 А. Напряжении UK = 225 В, соответствует диапазону номинального напряжения испытуемого двигателя АИР 90L2Y2 [60], которое равно 220±5%. Поэтому 1К принимаем /кном =36,2 А.
Построение круговой диаграммы (рис. 2.4) осуществлялось в соответствии с рекомендациями ГОСТ 7217-87. Использовались следующие масштабы токов, напряжений и мощностей: ші=1А/мм; ти=1В/мм, mz=0,lОм/мм; тр=100 Вт/мм.
Экспериментальное определение энергетических характеристик асинхронного электропривода с преобразователями частоты
В состав установки входят: шкаф с преобразователем частоты VLT5000, LC фильтром и фильтром высших гармоник фирмы Danfoss, шкаф с тиристорным преобразователем, персональный компьютер с прикладным программным обеспечением и АЦП N1 PCI 4472 (24 бит, 100 кГц), асинхронный двигатель АИР90Ь2У2 мощностью 3 кВт, двигатель постоянного тока той же мощности, а также датчики тока АР РАЗЯТ, напряжения SV025 и измерительный комплект К-50.
В рамках диссертации изготовлен комплект датчиков напряжения (рис. 3.3) с коэффициентом преобразования 1:50 на базе датчика SV025, принцип действия которого основан на эффекте Холла. Таким образом, обеспечивается гальваническая развязка высоковольтных цепей и входов АЦП. Рис 3.3 Внешний вид датчиков напряжения
Экспериментальное определение энергетических характеристик асинхронного электропривода с преобразователями частоты 3.3.1. Требования по безопасности проведения измерений
При выполнении измерений должны быть соблюдены требования по правилам и мерам безопасности, установленные инструкцией по охране труда испытателя измерительных систем в соответствии с ГОСТ 12.0.004-90 «Организация обучения безопасности труда. Общие положения» и изложенные в технической и эксплуатационной документации на конкретные средства измерений.
К выполнению измерений могут быть допущены лица, имеющие среднее специальное образование и прошедшие курс подготовки по эксплуатации данного вида измерительных систем. Выполнение измерений проводить в строгом соответствии с требованиями техники безопасности для работы с электроизмерительными приборами. 3.3.2 Процедура обработки результатов измерений
Изначально мгновенные значения токов и напряжений измерялись датчиками тока и напряжения, передавались через аналого-цифровой преобразователь в персональный компьютер через программное обеспечение LabView Signal Express. Далее происходила обработка полученных значений - преобразование мгновенных значений в действующие, определение углов и построение круговой диаграммы [25]. Так как все эти действия отнимали много времени и в расчетах появлялись дополнительные погрешности, то была разработана программа в среде Lab View фирмы National Instruments для измерения мгновенных значений напряжений и токов, которая также показывает формы сигналов, их спектры и векторную диаграмму (рис. 3.4).
Фрагмент блок диаграммы по определение действующих значений и пространственных векторов тока и напряжения статора
Разработанная программа позволяет сохранить измеренные данные -мгновенные значения токов, напряжений, действующие значения токов и напряжений в файле с табличным форматом «.lvm», который можно открыть в пакете Microsoft Excel, что упрощает их дальнейшую обработку.
Энергетические характеристики системы ПЧ-АД рассчитывались при частоте питающей сети 50 Гц и частоте напряжения приложенного к статорной обмотке 45 Гц при нагрузке в Мс = 0,5МНОМ и приближенной к номинальной Мс Мном [88]. Опыт 1. Определение энергетических характеристик системы ПЧ - АД при частоте питающей сети 50 и 45 Гц, при нагрузке Мс = 0,5МНОМ , Мс = Мном в контрольных точках КТ1, КТ2, КТЗ, КТ4 согласно варианту 1.
Распределение потерь мощности в АД при частоте питающей сети 50 Гц и нагрузке на валу 1,0Мном: А) вариант 1; В) вариант 4
Из круговых диаграмм 3.11 А, В видно, что при использовании фильтров (рис 3.11 А) уменьшаются на 1 % потери мощности подводимые к намагничивающему контуру АД, на 0.1% электрические потери в обмотке ротора АРЭЛ2, на 1% электрические потери в обмотке статора АРЭЛ\ и увеличиваются полезная механическая мощность Рі на 1%.
Таким образом, проведенные исследования по определению энергетических характеристик системы ПЧ-АД показывают работоспособность методики контроля в различных скоростных и нагрузочных режимах работы электропривода. Влияние фильтров на энергетические характеристики системы ПЧ-АД более подробно рассмотрены в 4 главе. Выводы по третьей главе
В соответствии с разработанным алгоритмом и основными положениями методики контроля энергетических характеристик асинхронного электропривода с преобразователями частоты в установившихся режимах работы при различных моментах статической нагрузки создана структурная схема и произведена сборка экспериментальной установки для проверки методики.
Экспериментальная установка позволяет шунтированием фильтров реализовать 4 варианта конфигурации системы ПЧ-АД, изменять скорость вращения асинхронного электродвигателя АИР90Ь2У2 мощностью 3 кВт, создавать на его валу нагрузку с помощью нагружающего устройства в виде двигателя постоянного тока с тиристорным преобразователем.
Измерение мгновенных значений фазных токов осуществляется датчиками тока ДТХ50 или токовыми клещами АРРА 39Т, а напряжений датчиками SV025. Восьми канальный АЦП N1 PCI 4472 позволяет регистрировать сигналы с частотой дискретизации до ЮОкГц на канал и разрешающей способностью 24 бит. Дополнительный измерительный канал -комплект К50 (класс точности 0,5) который устанавливается в разрыв контрольных точек во время параметрирования электропривода.
Разработанное в среде LabVIEW программное обеспечение осуществляет сбор, первичную обработку, визуализацию и сохранение данных в памяти ПК.
Представлен план проведения эксперимента, описаны опыты, и результаты расчёта полученных энергетических характеристик, которые сведены в таблицы и диаграммы. Показана работоспособность методики контроля в различных скоростных (45 и 50 Гц) и нагрузочных режимах (0,5МНОМ и 1,0 Мном) работы электропривода.
Таким образом, в соответствии с третьим положением, выносимым на защиту, разработана и создана экспериментальная установка для исследования и оперативного контроля энергетических характеристик системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» в установившихся режимах функционирования для различных уровней нагрузки на валу асинхронного двигателя.
Разработка частных требований для экспериментальной установки и приборного комплекса оценки энергетической эффективности
Определение частоты коммутации полупроводниковых ключей инвертора преобразователя частоты. Одним из методов уменьшения гармоник, генерируемых ПЧ, является увеличение несущей частоты ШИМ.
Увеличение частоты коммутации увеличивает КПД двигателя, снижает уровень шума, вибраций, улучшает форму напряжения, тепловые характеристики, однако уменьшается КПД инвертора (из-за увеличения потерь на переключение силовых ключей).
Ряд частотных преобразователей позволяют в некотором диапазоне менять этот параметр. Например, преобразователь фирмы Danfoss FS302 позволяет выбрать следующую частоту переключения ключей: 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 5; 6; и 10 кГц.
Измерительные приборы с высокой скоростью выборки могут измерять как среднеквадратичные значения, так и мгновенные значения напряжения и тока на выходе преобразователя. По мгновенным значениям оценивают пики переходного процесса dU/dt на клеммах преобразователя или двигателя для подбора длины кабеля и фильтра. Также после Фурье преобразование определяют гармонический состав токов и напряжений.
При проведении измерений мгновенных значений токов и напряжений в контрольной точке КТ4 на экспериментальной установкой с частотой дискретизации АЦП 30 кГц на спектрах сигналов была видна несущая частота ШИМ. Для проверки возможности определения частоты переключения ключей инвертора экспериментальной установкой и приборным комплексом проведены измерения на преобразователе частоты Danfoss FS302 (рис 4.12). С учетом теоремы Котельникова и возможностей АЦП на экспериментальной установке можно измерить частоту до 50 кГц, а на приборном комплексе 5 кГц.
На рисунке 4 видно изменение спектров токов и напряжений при изменении частоты ШИМ. Таким образом, представляется возможным определение частоты переключения ключей инвертора по мгновенным значениям фазных токов и напряжений после Фурье преобразования при увеличении частоты дискретизации АЦП.
Определение влияния частоты питания электродвигателя от преобразователя частоты на коэффициент мощности coscp. Измерения проведены на экспериментальной установке с частотой питания электродвигателя 10, 30 и 50 Гц в контрольных точках КТ1, КТ4 согласно 4 вариантам описанным в 3 главе при нагрузке на валу 0,5МнОМ(рис. 4.13).
Контрольная точка 1. Максимальный коэффициент мощности достигается на входе системы ПЧ-АД в КТ1 при частоте питания электродвигателя 50 Гц и использовании LC и а/2/-фильтров. Конфигурация варианта 1 увеличивает cosq) на 0,8% при у=10Гц, на 3% при =30Гц и на 9,16% при /=50Тц по сравнению с конфигурацией варианта 4, в которой отсутствуют фильтры.
Контрольная точка 4. Использование фильтров вызывает падение напряжение на линии питания, вследствие чего снижается коэффициент мощности электродвигателя. Так, в КТ4 максимальный коэффициент мощности достигается при шунтировании всех фильтров и =50Гц. На низких частотах использование фильтров более оправдано. На у=10Гц cosq) при использовании фильтров увеличивается на 3,4% по сравнению с конфигурацией варианта 4.
Таким образом, не смотря на ряд недостатков LC и ahf фильтров (увеличение стоимости электроустановки, уменьшение коэффициента мощности мотора, ограничения для векторного управления) их использование улучшает работу электродвигателя и увеличивает коэффициент мощности системы ПЧ-АД.
Измерение гармоник токов и напряжений в различных конфигурациях системы ПЧ-АД. Измерения проведены аналогично измерениям коэффициента мощности. Расчёт проводился по измеренным мгновенным значениям фазных токов и напряжений в контрольных точках КТ1, КТ4. На рисунках 4.14 - 4.17ч представлены результаты при питании двигателя у=30Гц.
В конфигурации варианта 1 и 2 (рис 4.14) значительно снижаются гармоники тока. Третья - в 3,3 раза, пятая в 4,7 раза, седьмая в 2,7 раза, девятая в 5,4 раза, 11 гармоника в 8 раз. Т.е. при использовании фильтров гармоники по току на входе системы ПЧ-АД экспериментальной установки не превысили 10% от тока первой гармоники.
Таким образом, на приборном комплексе и экспериментальной установке можно определять гармонический состав токов и напряжений. Анализ показывает, что компромиссным вариантом по снижению гармоник тока и напряжения как в КТ1, так и КТ2 является установка LC и ahf-фильтров (конфигурация 1).
Построение годографов тока и напряжения статора в различных конфигурациях системы ПЧ-АД. Расчёт проводился по измеренным мгновенным значениям фазных токов и напряжений в контрольных точках КТ1, КТ4, а также по величине первой гармоники. На рисунках 4.18 - 4.21 представлены результаты при питании двигателя у=30Гц. гарм \У\ и сигн \7\7 Напряжения 1 гарм \/ У иос сигн 7v