Подбор параметров преобразователей частоты при испытании асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки



В настоящее время известны множество схем испытаний асинхронных двигателей, реализующих возврат электрической энергии в сеть или обратно испытуемому двигателю, что позволяет добиться экономии электрической энергии при проведении испытаний.

Общей особенностью, которую следует выделить при рассмотрении схем испытаний методом взаимной нагрузки, является применение преобразователей частоты, которые обеспечивают питание испытуемых двигателей напряжением несинусоидальной формы и переменной частоты. Частота питающего напряжения может изменяться в широком диапазоне нагрузки от режима холостого хода до нагрузки выше номинальной. При этом в процессе испытаний необходимо проводить измерения подводимой и передаваемой (генерируемой) мощности, тока, напряжения, что выдвигает особые требования к применяемым средствам измерения.

Одной из схем испытаний, реализующих взаимную нагрузку испытуемых асинхронных двигателей, с применением преобразователей частоты является схема, приведенная на рисунке 1 [1, 2]. Сущность способа заключается в том, что механически сопряженные муфтой два асинхронных двигателя 1, 2 подключают к однотипным преобразователям частоты 3, 4, причем каждый преобразователь частоты состоит из выпрямительных блоков 5, 6 звеньев постоянного тока 7, 8, управляемых инверторов 9, 10 с общим звеном постоянного тока 11. Шина постоянного тока используется для передачи, распределения или гашения электрической энергии, поступающей от двигателя, переходящего в генераторный режим, в звено постоянного тока преобразователя частоты. На схеме также отмечена коммутационная аппаратура: контакторы КМ1 — КМ3 — для включения / отключения частей схемы со стороны сети (источника питания); контакторы КМ4, КМ5 — для включения / отключения шины постоянного тока; контакторы КМ6, КМ7 — для подключения / отключения испытуемого двигателя (нагрузочной машины) к (от) преобразователя частоты.

Рис. 1. Структурная схема испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки с использование двух преобразователей частоты

Схема работает следующим образом. Посредством преобразователей частоты производят плавный запуск электродвигателей, увеличивая частоту подводимого напряжения одновременно на обоих асинхронных двигателях с помощью преобразователей частоты до ее номинального значения. Далее, например, оставив частоту питающего напряжения неизменной на втором асинхронном двигателе, снижали частоту питающего напряжения на первом асинхронном двигателе. Тем самым обеспечивается реализация режима взаимной нагрузки, при которой первый двигатель работает в режиме генератора, вырабатывая электрическую энергию, передавая её через подключенный к нему частотный преобразователь, общую шину постоянного тока, второй частотный преобразователь для питания второго асинхронного двигателя.

Для эффективного использования энергоресурсов, бесперебойного режима работы и достижения наибольшего коэффициента полезного действия реализуемой схемы испытаний требуется осуществить оптимальный подбор параметров преобразователей частоты и коммутационных аппаратов.

Реализация схемы для испытаний асинхронных двигателей, приведенная на рисунке 1, выполнена в лаборатории «Электрические передачи локомотивов» кафедры «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС), сотрудниками кафедры «Локомотивы» и «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС [3]. Представленный стенд укомплектован асинхронными двигателями марки АДМ71В4У2 и частотными преобразователями типа ACS355, номинальной мощностью 750 Вт и 1,5 кВт соответственно.

Для выполнения подбора параметров преобразователей частоты требуется выполнить эксперименты, на основании которых выдвинуть рекомендации по загруженности элементов преобразователей. Первый эксперимент реализован путем коммутации контакторов КМ1, КМ2, КМ4 — КМ7. Таким образом, общее питание схемы испытаний реализовано через выпрямительную установку 5 преобразователя частоты 3 (рисунок 1). Запуск схемы и реализация нагрузочных испытаний проводится в последовательности, описанной выше. Измерение мощности проводятся в следующих частях схемы: со стороны сети, в шине постоянного тока, со стороны питания двигателя. Так для определения потерь мощности в инверторе второго частотного преобразователя необходимо выполнить следующее действие:

ΔP_инв = P_шпт — P_д(1)

Результаты первого эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты первого эксперимента

f1, Гц	f2, Гц	Pс, Вт	Pшпт, Вт	Pд, Вт	ΔPинв, Вт
50	50	400	198	136	62
47	50	495	600	526	74
44	50	730	987	915	72
41	50	1080	1333	1266	67

Для определения потерь мощности в выпрямительной установке при различной степени нагружения двигателя выполнен второй эксперимент. Первая машина — в режиме двигателя, вторая — в режиме генератора. Потери мощности в инверторе могут быть определены по результатам измерений потребляемой мощности двигателя (см. таблицу 1).

Мощность, потребляемая инвертором, определяется по формуле:

P_инв = P_д + ΔP_инв(2)

Мощность на выходе выпрямительной установки определяется по формуле:

P_в = P_инв — ΔP_шпт(3)

Потери в выпрямительной установке определяются по формуле:

ΔP_в = P_в — ΔP_с(4)

Результаты расчета по формулам (2) — (4) представлены в виде таблицы 2.

Таблица 2

Результаты второго эксперимента

f1, Гц	f2, Гц	Pс, Вт	Pшпт, Вт	Pд, Вт	ΔPинв, Вт	Pинв, Вт	Pв, Вт	ΔPв, Вт
50	50	400	136	136	62	198	334	66
47	50	495	184,1	526	74	600	415,9	79,1
44	50	730	338,55	915	72	987	648,45	81,55
41	50	1080	341,82	1266	67	1333	991,18	88,82

Результаты нагрузочных испытаний при питании схемы от выпрямительных установок обоих преобразователей частоты представлены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты экспериментов при питании схемы от выпрямительных установок обоих преобразователей частоты

f1, Гц	f2, Гц	Pс1, Вт	Pс2, Вт	Pшпт, Вт	Pд, Вт
49	50	170	240	107	301
47	50	168	316	301	563
45	50	330	442	480	820
43	50	253	580	575	1065
41	50	330	730	656	1270

Распределение мощности по участках схемы при работе двух преобразователей частоты приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Распределение мощности между основными элементами схемы: а — 47 Гц и 50 Гц; б — 43 Гц и 50 Гц; в — 41 Гц и 50 Гц

По результатам проведенных экспериментов и несложных расчетов можно сделать следующие выводы:

– загруженность выпрямительных установок при питании схемы от преобразователей частоты в номинальном режиме работе испытуемого двигателя (41 Гц — частота питания нагрузочной машины) составляет для преобразователя, питающего генератор — менее 30 %; питающего двигатель — менее 60 %;

– загруженность шины постоянного тока при питании схемы от преобразователей частоты в номинальном режиме работе испытуемого двигателя (41 Гц — частота питания нагрузочной машины) составляет порядка 52 %;

– при реализации питания схемы от выпрямительной установки одного из преобразователей частоты загруженность шины постоянного тока (41 Гц — частота питания нагрузочной машины) составляет 106 %; загруженность выпрямительной установки — 85 %.

На основании вышеизложенного, можно дать следующие рекомендации, которые следует учесть при проектировании схем испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки:

– снизить потери в выпрямительных установках и управляемых-инверторах, т. к. они увеличивают мощность, потребляемую из сети, что в свою очередь нагружает все элементы преобразователей частоты;

– для предлагаемой схемы испытаний оптимальным является приобретение не двухзвенного преобразователя частоты, а, возможно, двух отдельных выпрямительных установок, либо одной общей выпрямительной установки для реализации питания схемы испытаний;

– учесть загруженность звеньев постоянного тока при реализации питания от выпрямительной установки одного преобразователя частоты, либо общей выпрямительной установки.

Представленные выводы и рекомендации позволят повысить энергетическую эффективность схемы для испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки.

Литература:

1. Авилов, В. Д. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки: патент РФ № 140678, 2013 [Текст]/ В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов.
2. Литвинов А. В. Совершенствование технологии испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов: дис. канд. технических наук. Омский гос. университет путей сообщения, Омск, 2014.
3. Авилов, В. Д. Физическая модель испытательной станции асинхронных тяговых двигателей с использованием метода взаимной нагрузки [Текст] / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, В.Т. Данковцев, А.В. Литвинов // Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса: Материалы четвертой научно-практической конференции, посвященной Дню российской науки и 110-летию ОмГУПСа (8 февраля 2012 г.) / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 69-73.