Экспериментальная оценка влияния работы преобразователей частоты на форму сигналов токов и напряжений

Исследуемая схема испытаний состоит из двух однотипных преобразователей частоты 1 и 2, получающих питание от трехфазной сети, двух однотипных испытуемых асинхронных двигателей АМ1 и АМ2, механически связанных между собой посредством муфты 3 и получающих питание от преобразователей частоты 1, 2. Преобразователи частоты 1 и 2, используемые в схеме испытаний, состоят из неуправляемых выпрямителей 1.1 и 2.1, звеньев постоянного тока 1.2 и 2.2, управляемых инверторов 1.3 и 2.3. Связь преобразователей частоты 1 и 2 реализуется с помощью шины постоянного тока 4, соединяющей звенья постоянного тока 1.2 и 2.2 частотных преобразователей 1 и 2 (рисунок 1).

Схема работает следующим образом. Подведенное трехфазное напряжение поступает к неуправляемым выпрямителям 1.1 и 2.1, где оно преобразуется в постоянное напряжение, инвертируется с помощью управляемых инверторов 1.3 и 2.3 в переменное напряжение, требуемой амплитуды и частоты и подается для питания испытуемых асинхронных двигателей АМ1 и АМ2. Для реализации режима взаимной нагрузки необходимо уменьшить частоту вращения магнитного поля на одном из асинхронных двигателей АМ1 или АМ2 по сравнению с частотой вращения вала: разогнав двигатели АМ1 и АМ2 на холостом ходу до определенной частоты вращения, снизить частоту питающего напряжения на одном из частотных преобразователей 1 или 2. Например, если АМ1, получает напряжение от преобразователя 1 с меньшей частотой, то АМ1 переходит в генераторный режим. Вырабатываемая генератором АМ1 электрическая энергия поступает в звено постоянного тока 1.2 преобразователя частоты 1, и далее по шине постоянного тока 4 поступает в звено постоянного тока 2.2 преобразователя частоты 2, который осуществляет питание испытуемого двигателя АМ2 [1].

Рис. 1. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки с использованием двух преобразователей частоты

Основными элементами схемы испытаний, за счет которых достигается эффект энергосбережения, являются преобразователи частоты 1 и 2. Как отмечалось выше, в состав преобразователей частоты входят неуправляемые и управляемые выпрямители, которые являются нелинейными элементами. Нелинейность этих элементов напрямую влияет на показатели качества электрической энергии. В работе не ставилась задача определения показателей качества, необходимо было лишь оценить, как влияет работа преобразователей частоты в составе схемы испытаний асинхронных двигателей, на форму сигнала токов и напряжений в сети и поступающих для питания испытуемого асинхронного двигателя.

Испытания проводились прибором по оценке качества электрической энергии МИК-3, разработанным на кафедре «Автоматика и системы управления» Омского государственного университета путей сообщения, на стенде [2], предназначенном для проведения испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки.

Результаты полученных осциллограмм токов и напряжений представлены на рисунках 2–5. При этом на рисунке 2 — результаты измерений прибором МИК-3 со стороны сети (на входе преобразователей частоты) (рисунок 1), рисунки 3–5 — результаты измерений прибором МИК-3 со стороны питания испытуемого асинхронного двигателя (на выходе преобразователей частоты).

Рис. 2. Форма сигналов токов и напряжений по каждой из фаз, полученная в результате измерений со стороны сети (на входе частотных преобразователей)

Рис. 3. Форма сигналов токов и напряжений по каждой из фаз, полученная в результате измерений со стороны испытуемого двигателя (на выходе частотных преобразователей) при частоте коммутации транзисторов преобразователей 4 кГц

Рис. 4. Форма сигналов токов и напряжений по каждой из фаз, полученная в результате измерений со стороны испытуемого двигателя (на выходе частотных преобразователей) при частоте коммутации транзисторов преобразователей 8 кГц

Рис. 5. Форма сигналов токов и напряжений по каждой из фаз, полученная в результате измерений со стороны испытуемого двигателя (на выходе частотных преобразователей) при частоте коммутации транзисторов преобразователей 16 кГц

Таким образом, по результатам проведенных экспериментов, можно сделать следующие выводы: работа преобразователей частоты влияет на форму сигналов токов и напряжений, как при измерении этих сигналов на входе преобразователей частоты, так и на выходе. На входе преобразователей частоты (рисунок 2) следует отметить, что напряжения носят синусоидальный характер, а токи — нелинейный. На выходе преобразователей частоты (рисунки 3–5) при различной частоте коммутации транзисторов этих преобразователей, отмечается синусоидальный характер изменения токов и несинусоидальный характер напряжений с большим количеством спектра гармоник высших порядков, при этом ширина спектра гармоник высших порядков увеличивается с увеличением частоты коммутации транзисторов.

Литература:

1. Литвинов А. В. Совершенствование технологии испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов: дис. канд. технических наук. Омский гос. университет путей сообщения, Омск, 2014.
2. Авилов В. Д., Данковцев В. Т., Попов Д. И., Литвинов А. В. Физическая модель испытательной станции асинхронных тяговых двигателей с использованием метода взаимной нагрузки // 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.). Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения., 2012. С. 69–73.