Данная статья посвящена вопросу влияния гармонических составляющих на режимы работы асинхронного двигателя. В работе описаны основные проблемы, возникающие в ходе работы двигателя из-за несиносоидальности питающего напряжения, а также приведены примеры научных статьей на данную тематику. Дополнительно описано применение асинхронных двигателей в железнодорожной отрасли и проблемы, возникающие при их использовании в результате искажения напряжения.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, двигатель, режим работы, напряжение, искажение напряжения.
Трехфазная симметричная система определяется равными по величине и углу напряжениями и токами, в обратном случае система считается несимметричной.
Несимметричные режимы в электрических сетях возникают по следующим причинам:
1) различаются нагрузки в разных фазах;
2) несовершенная синхронизация работы линий или других компонентов в сети;
3) разные характеристики линий в разных фазах. [1]
Теме исследования влияния высших гармоник в сети и способам борьбы с ними посвящены многие научные работы. Так, например, группа ученых из Южно-Уральского государственного университета и Забайкальского государственного университета опубликовали в 2018 году статью на тему «Исследование влияния несимметрии фазных напряжений на режимы работы асинхронных двигателей в среде имитационного моделирования Matlab/Simulink». С помощью компьютерной программы исследовали статические и динамические характеристики в различных режимах работы асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором серии А4, при этом двигатели были выбраны разной мощностей. Проект созданный в Matlab/Simulink дает возможность для исследования режимов работы АД при несимметрии фазных напряжений и наличии гармонических составляющих с целью выявления проблем при эксплуатации электродвигателей. [2]
А еще раньше в журнале «Проблемы энергетики» в 2007 году была опубликована статья Ю. Б. Казакова и В. А. Андреева «Влияние несимметрии напряжений на энергетические показатели асинхронного двигателя». В настоящем исследовании исследовали, как величина несимметрии питающего напряжения влияет на энергетические показатели и электромагнитный момент асинхронного двигателя. Полученные полиномиальные зависимости с высокой точностью отражают сущность процессов, происходящих в асинхронном двигателе при подаче несимметричных по величине фазных напряжений, которые могут быть справедливы для исследования высших гармоник. При использовании относительных единиц, полученные выражения для полиномов позволяют оценить влияние несимметрии на стандартные параметры асинхронного двигателя. [3]
В журнале "'Энергетик», 2019, № 8, была опубликована статья «Активные фильтро-компенсирующие устройства шунтирующего и сериесного типа в электрических сетях» авторов Мустафы Г. М., Гусева С. И., Ершова А. М., Сеннова Ю. М., Чистилина С. В., Шиянова А. М. Активное развитие теоретических и методических основ для проектирования активных фильтро-компенсирующих и симметрирующих устройств (АФКУ) с использованием модульных многоуровневых конверторов (ММС) позволило провести успешное внедрение пилотных средневольтных (6–10 кВ) образцов АФКУ различных типов на промышленных предприятиях с целью решения проблем, связанных с искажением напряжения в электрической сети и борьбы с гармоническими составляющими. [4]
Токи неравной величины и угла могут вызвать токи нулевой и обратной последовательности, а также напряжение нулевого перекоса в системе фазного напряжения, что приводит к дисбалансу между напряжением и током.
Из-за ряда причин в системах электроснабжения все же происходит резкое изменение синусоиды и с этим необходимо бороться, так как ущерб от искажения напряжения может быть достаточно большим.
Обмотки низкого напряжения (380 В) трансформаторов, питающих бытовые и промышленные сети, соединены звездой, и четвертым токоведущим проводником является нейтральный проводник. Если нейтральный проводник прерывается, напряжение значительно разбалансируется и произойдет авария. Без нейтрального проводника сеть не может эксплуатироваться. В этом случае напряжение одной фазы приближается к междуфазному напряжению (380 В), а напряжение другой фазы близко к нулю.
Последствия искажения напряжения, под действием гармоник, в энергосистемах и оборудовании являются обширными и значительными. Наличие высших гармоник может значительно сократить срок службы оборудования, ускорить его замену и увеличить расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание системы. Кроме того, в трехфазной четырехпроводной системе искажение напряжения может привести к сбоям реле.
Основные проблемы энергосистем, которые могут быть вызваны наличием гармонических составляющих токов и напряжений:
- Дополнительные потери энергии
Известно, что неравномерность напряжения всегда вызывает дополнительную потерю мощности в системе. Чем выше коэффициент несимметрии напряжения, тем больше рассеивается мощность. Это означает более высокие счета за электроэнергию.
- Нарушение работы двигателей
Трехфазный двигатель питается симметричным напряжением только с прямой последовательностью, воспроизводит только крутящий момент с прямой последовательностью. Несбалансированность напряжения может привести к дополнительным потерям, из-за которых будут нагреваться обмотки двигателя, может произойти разрушение изоляции обмотки и, в конечном итоге двигатель перестанет работать. Чтобы избежать дальнейшего выделения тепла, необходимо снизить крутящий момент на валу (нагрузку двигателя). Напряжение обратной последовательности, возникающее в следствии несимметрии напряжения, создает противоположный крутящий момент, в результате которого при работе двигателя появляется вибрация и шум.
- Снижение жизненного цикла
Высокие температуры, превышающие номинальное значение устройства, значительно уменьшают срок службы устройства и ускоряют цикл замены устройства, а также значительно увеличивают затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание.
- Неточное измерение
Возникновение резких искажений напряжений или токов, в следствии переходных процессов приводят к большой погрешности измерительных приборов. В следствии чего может произойти отказ релейной защиты или других автоматических приборов.
Таким образом последствия возникновения гармоник в сети могут быть очень серьёзными, необходимо бороться с данной проблемой.
Рассмотрим влияние гармонических составляющих на режимы работы асинхронных двигателей в железнодорожной отрасли.
Асинхронные бесколлекторные машины переменного тока, нашли применение в железнодорожной отрасли в качестве тягового двигателя, которые устанавливаются в тепловозах с тяговыми генераторами переменного тока и на некоторых пассажирских локомотивах.
Асинхронные тяговые двигатели имеют преимущества такие как: простая конструкция; отсутствие дополнительных полюсов; сниженная масса и габариты устройства; отличные тяговые характеристики на сниженных оборотах, которые не оставляют сомнений в целесообразности широкого внедрения асинхронных тяговых двигателей в электрической тяге.
Но при всех преимуществах, асинхронные тяговые двигатели имеют ряд недостатков: уязвимость изоляции и частые разрушения щеток; трудность регулирования частоты вращения для изменения скорости движения локомотива; опасность «опрокидывания»; применение дорогостоящей электроники, что приводит к искажению параметров.
Асинхронные двигатели надежны и просты для технического обслуживания и ремонта. Скорость вращения ротора асинхронного двигателя не может достичь скорости вращения магнитного поля статора. Поэтому асинхронные двигатели не могут быстро увеличить скорость вращения ротора при снятии механической нагрузки. Это означает, что при использовании их на локомотивах, они не могут быстро увеличить скорость вращения, что позволяет избежать пробуксовывания колесных пар при значительном увеличении скорости. При работе асинхронных тяговых двигателей в тепловозах с тяговыми генераторами переменного тока генератор может напрямую подавать ток в асинхронные тяговые двигатели, но проблемой повсеместного внедрения тяговых асинхронных электродвигателей является сложность регулирования их частоты вращения для изменения скорости движения локомотива.
Но все же, как наличие гармоник может повлиять на режимы работы двигателя, рассмотрим случай, произошедший в железнодорожной отрасли.
Максимальное влияние искажения напряжения наблюдалось в пределах Западно-Сибирской электрифицированной железной дороги в Урало-Сибирской энергосистеме, где имеются источники асимметрии, такие как железные дороги, горно-обогатительные комбинаты и деревообрабатывающие комплексы. Аналогичные значения были получены в сети ЭЖД на Южном Урале и в Восточной Сибири.
Увеличение искажения напряжения привело к следующим последствиям:
— преждевременные отказы крупных синхронных машин, насосных станций в западной части Иркутской энергосистемы;
— нарушения работы устройств сигнализации и блокировки на Южно-Уральской ЭЖД.
При исследовании работы АД весьма актуальной является задача оценки влияния гармонических составляющих напряжений на режимы работы двигателей. В случае повреждения изоляции происходит остановка около 75 % электродвигателей, но и с точки зрения экономической составляющей ущерб от выхода из строя одного двигателя составляет десятки тысяч рублей. Чтобы избежать неприятных ситуаций и своевременно спрогнозировать их необходимо исследовать режимы работы асинхронных двигателей. Поэтому моделирование указанных режимов и исследование статических и динамических характеристик АД представляет важную научно-техническую задачу.
Вывод
Несинусоидальность напряжения отрицательно сказывается на рабочих и технико-экономических характеристиках вращающихся электрических машин, вызывая тормозной электромагнитный момент и дополнительный нагрев, главным образом ротора, приводящие к снижению КПД и сокращению срока службы изоляции обмоток. В асинхронных двигателях возникают дополнительные потери в статоре. Резкое увеличение и снижение амплитуды напряжения может вызвать отключения чувствительной нагрузки типа частотно-регулируемого электропривода (ЧРП).
Литература:
- Кузнецов М. И. Основы электротехники. Учебное пособие. Изд. 10-е, перераб. «Высшая школа», 1970
- И. Ф. Суворов, В. В. Романова, С. В. Хромов Исследование влияния несимметрии фазных напряжений на режимы работы асинхронных двигателей в среде имитационного моделирования MATLAB/Simulink / И. Ф. Суворов, В. В. Романова, С. В. Хромов // Инженерия. — 2018. — № 8. — С. 12.
- Ю. Б. Казаков, В. А. Андреев Влияние несимметрии напряжений на энергетические показатели асинхронного двигателя / Ю. Б. Казаков, В. А. Андреев // Проблемы энергетики. — 2007. — №. — С. 8.
- Мустафа, Г. М., Гусев, С. И., Ершов, А. М., Сеннов, Ю. М., Чистилин, С. В., Шиянов, А. М. Опыт использования активных фильтро-компенсирующих устройств шунтирующего и сериесного типа в электрических сетях [Текст] / Г. М. Мустафа, С. И. Гусев, А. М. Ершов, Ю. М. Сеннов, С. В. Чистилин, А. М. Шиянов // Энергетик. — 2019. — № 8. — С. 12.
