Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Вопросы применения преобразовательной техники с широтно-импульсном модуляцией в системах электроприводов 11
1.1. Общая характеристика преобразователей частоты 11
1.1.1. Непосредственные преобразователи частоты... 12
1.1.2. Двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным звеном переменного тока 13
1-1-3 Двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока 14
1.2. Основные характеристики и принципы формирования широтио- импульсной модуляции 20
1.2. 1. Основные виды импульсной модуляции 20
1.2.2. Классификация и основные алгоритмы формирования широтно-импульсной модуляции 21
1.2.3. Основные принципы цифровой реализации систем ШИМ.. 27
Глава 2. Анализ влияния высших гармоник питающего напряжения с широтпо-импульснон модуляцией на работу асинхронных двигателей е использованием компьютерного моделирования 32
2.1. Создание моделей однофазных и трехфазных источников напряжения с ШИМ в системе МісгоСар 6 33
2.2. Анализ рядов Фурье источников напряжения с ШИМ с использованием компьютерного моделирования 42
2.3. Определение гармоник напряжения с ШИМ с использованием частотно-избирательных LC-фильтров 51
2.4. Влияние несинусоидальности сетевого напряжения на работу асинхронных двигателей 58
2.5. Обоснование эквивалентной схемы замещения для расчета потерь мощности в асинхронном двигателе при питании от источника напряжения с ШИМ 62
2.6. Методика расчета потерь мощности в асинхронном двигателе от действия высших гармоник при питании от источника напряжения с ШИМ 66
2.6.1. Численный расчет полного сопротивления проводника в пазу ротора произвольного сечения для высших гармоник с учетом поверхностного эффекта 69
2.6.2. Определение эквивалентных параметров схемы замещения асинхронного двигателя для высших гармоник 80
2.6J. Численный расчет электрических потерь в асинхронном двигателе от высших гармоник 83
Глава 3. Разработка специальных средств измерения для исследований электрических цепей с широтно-импульсиой модуляцией 88
3.1. О необходимости использования специальных технических средств при измерении электрической мощности в системах с ШИМ 88
3.2. Разработка трехфазного электронного измерителя активной мощности для исследований работы электрических аппаратов в условиях ШИМ 92
3.3. Разработка счетчика электрической энергии для измерений в цепях с ШИМ 96
3.4. Современные способы и средства измерения вращающих моментов 98
3.5. Времяимпульсный способ измерения статического вращающего момента 100
3.6. Датчик вращающего момента, основанный на времяиыпульсном способе измерения 102
Глава 4. Методы и результаты экспериментальных исследований энергетических характеристик асинхронных двигателей в несинусоидальных режимах, обусловленных ШЇЇМ 115
4.1- Современные методы экспериментального определения потерь мощности и коэффициента полезного действия асинхронных двигателей 115
4.2. Определение энергетических характеристик асинхронного двигателя в условиях ШИМ 120
Заключение 128
Список литературы 130
Приложение А
- Основные характеристики и принципы формирования широтио- импульсной модуляции
- Анализ рядов Фурье источников напряжения с ШИМ с использованием компьютерного моделирования
- Разработка трехфазного электронного измерителя активной мощности для исследований работы электрических аппаратов в условиях ШИМ
- Определение энергетических характеристик асинхронного двигателя в условиях ШИМ
Введение к работе
Как известно, в системах электроснабжения в связи с увеличением систем, работающих в импульсном режиме, нелинейных нагрузок, полупроводниковых преобразователей и т.п. возникает высокий уровень высших гармоник.
Современный этап развития преобразовательной техники связан с появлением полностью управляемых быстродействующих полупроводниковых приборов - запираемых тиристоров и, особенно, высоковольтных биполярных транзисторов. Для целей регулирования питающего напряжения различных электрических аппаратов по частоте и уровню в широком диапазоне наиболее пригодными оказываются преобразователи частоты (ПЧ) модуляционного типа, использующие различные виды широгно-импульсной модуляции (ШИМ). В данных условия представляет интерес исследование влияния несинусоидальности питающего напряжения на работу электрических аппаратов.
Значительное число работ, например [7, 10-12], посвящено рассмотрению влияния ШИМ на характеристики наиболее распространенного в промышленности потребителя, питаемого от ПЧ, - асинхронного двигателя (АД). Установлено [64, 90 и др.], что высшие гармоники питающего напряжения не оказывают значительного влияния на механические характеристики двигателя, поэтому в большинстве случаев при расчетах электромагнитных процессов в частотно-регулируемом АД рассматривается только воздействие основной гармоники питающего напряжения.
Основная доля общих потерь мощности в современных частотно-управляемых электроприводах рассеивается непосредственно в АД, поэтому вопросы их исследования, получения соответствующих расчетных зависимостей, разработки методик экспериментального определения данных потерь при питании от источников с ШИМ являются чрезвычайно важными и актуальными. Задача расчета дополнительных потерь мощности в двигателе, вызванных действием высших гармоник, представляет известные трудности, хотя известны работы ряда авторов, посвященных решению этой проблемы.
Наиболее известные методики расчета потерь мощности частотно-регулируемых АД либо совсем не учитывают потери от несинусоидальности формы фактических статорных напряжений (токов) двигателя [88, 90 и др.], либо базируются на расчете гармонических составляющих токов с использованием классической схемы замещения двигателя [б, 42 и др.], что, как будет показано в данной работе, в условиях ШИМ не учитывает ряд факторов.
Целью данной работы является определение влияния высших гармонических составляющих питающего напряжения в условиях широтно-импульснои модуляции на энергетические характеристики асинхронных двигателей.
Для достижения поставленной цели потребовалось проведение исследований по следующим направлениям:
обзор современной преобразовательной техники с ШИМ в системах электроприводов и способов реализации ШИМ;
создание компьютерных моделей источников напряжения с ШИМ для исследования их спектров, а также для использования при моделировании электромагнитных процессов в электрических аппаратах;
использование частотно-избирательных цепей для выделения отдельных гармонических составляющих из спектров напряжений с ШИМ;
обоснование эквивалентной схемы замещения асинхронного двигателя для расчета потерь мощности от высших гармоник питающего напряжения с ШИМ;
разработка методики расчета потерь мощности в асинхронном двигателе от высших гармоник питающего напряжения с ШИМ;
- разработка бесконтактного электронного измерителя механической
мощности, момента на валу двигателя и специальных средств измерения для
исследований энергетических характеристик асинхронных двигателей, в том
числе в условиях ШИМ;
- экспериментальное определение потерь мощности в асинхронном дви
гателе в условиях ШИМ,
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснована эквивалентная схема замещения асинхронного двигателя для расчета потерь мощности в условиях ШИМ;
предложена методика расчета потерь мощности в асинхронном двигателе от действия высших гармоник питающего напряжения с ШИМ с учетом поверхностного эффекта в пазах ротора произвольной формы;
установлено, что соотношение между активной и реактивной составляющими полного сопротивления стержней ротора при различных формах паза практически не зависит от частоты высших гармонических составляющих спектра напряжения с ШИМ;
- разработан бесконтактный времяимпульсный способ измерения вра
щающего момента.
Практическую ценность представляют следующие результаты, полученные в ходе исследований:
разработан бесконтактный датчик вращающего момента, основанный на предложенном времяимпульсном способе измерения, для различных областей применения;
разработан стенд широкого назначения для исследований рабочих и механических характеристик асинхронных двигателей, рабочих машин, а также для контроля технологических процессов;
разработаны компьютерные модели однофазного и трехфазного источников напряжения с ШИМ, представляющие интерес как для исследовательских целей, так и для использования в учебном процессе;
впервые получены экспериментальные данные о влиянии несинусоидальности, обусловленной ШИМ, на характеристики индукционных реле направления мощности, индукционных реле тока, индукционных счетчиков электроэнергии и автоматических выключателей с термоэлементами.
Основные результаты работы, выносимые на защиту:
эквивалентная схема замещения асинхронного двигателя для расчета потерь мощности в условиях ШИМ;
методика и результаты расчета эквивалентных параметров обмотки ротора для высших гармоник с учетом поверхностного эффекта в проводнике паза произвольного сечения;
методика и результаты расчета потерь мощности в асинхронном двигателе от действия высших гармоник питающего напряжения с ШИМ;
времяимпульсный способ измерения вращающего момента, бесконтактный датчик механического вращающего момента асинхронного двигателя, а также специальные средства измерения активной мощности и электроэнергии для систем с ШИМ;
методика и результаты экспериментального определения энергетических характеристик асинхронного двигателя в условиях ШИМ питающего напряжения.
Апробация работы, Доклады на конференциях. Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе; 1 статья в журнале «Электрика», 4 депонированных статьи, доклад, выполненный на Международной конференции в СибАДИ, 2 патента на изобретения.
Материалы диссертации изложены в четырех главах.
Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, указаны научная новизна и практическая значимость результатов, сформулированы цель и задачи работы, представлена структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены основные виды современных преобразователей частоты и особенности их применения в системах электроприводов. Показано, что наиболее актуальными в настоящее время являются исследования влияния несинусоидальности питающего напряжения на работу асинхронных двигателей в частотно-регулируемых электроприводах на основе автономных
транзисторных инверторов напряжения с неуправляемыми выпрямителями, регулирование напряжения в которых осуществляется с использованием методов широтно-импульсной модуляции.
Рассмотрены основные характеристики, принципы формирования и критерии выбора несущей частоты ШИМ.
Показано, что в современных преобразователях частоты наибольшее распространение получила широтно-импудьсная модуляция однополярных и двухполярных импульсов, когда ширина импульсов изменяется в течение полупериода по синусоидальному закону.
Во второй главе рассмотрены вопросы создания компьютерных моделей однофазных и трехфазных источников напряжения с ШИМ. Проведен анализ спектрального состава источников напряжения с ШИМ с использованием графоаналитического метода определения гармоник ряда Фурье, а также с помощью метода, основанного на использовании частотно-избирательных резонансных фильтров. Рассмотрен классический подход к определению влияния песинусоидальности сетевого напряжения на работу асинхронного двигателя. Предложена эквивалентная схема замещения короткозамкнутого асинхронного двигателя для расчета потерь мощности в условиях ШИМ в виде двух отдельных схем: для основной и для высших гармоник. Разработана методика расчета потерь мощности от высших гармоник в АД с учетом поверхностного эффекта в пазах ротора произвольной формы. Определены эквивалентные параметров обмотки ротора для высших гармоник, выполнен расчет потерь мощности в двигателе в условиях ШИМ.
В третьей главе обоснована необходимость использования специальных измерительных средств для контроля электрической мощности и электроэнергии в системах с ШИМ. Разработаны трехфазный электронный ваттметр и счетчик электроэнергии для исследования работы электрических аппаратов в условиях высокого уровня высших гармоник. Предложены времяимпульсиый
способ измерения вращающего момента двигателей, а также созданный на его основе датчик вращающего момента»
В четвертой главе рассмотрены основные методы экспериментального определения энергетических характеристик и коэффициента полезного действия асинхронного двигателя. Предложена методика непосредственного определения потерь мощности в исследуемом двигателе в условиях ШИМ. Экспериментально подтверждены результаты численного расчета потерь мощности в АД в условиях ШИМ, выполненного по предложенной во второй главе методике.
В прилолселиях приведены: результаты экспериментальных исследований погрешности индукционных реле, индукционных счетчиков электроэнергии и автоматических выключателей в условиях ШИМ; осциллограммы напряжений и токов исследуемого асинхронного двигателя в условиях ШИМ; принципиальные электрические схемы разработанных устройств; акты о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс и производство.
Основные характеристики и принципы формирования широтио- импульсной модуляции
Характерная особенность импульсных систем состоит в том, что, по крайней мере, одна из величии в них подвергается квантованию по времени. Эти квантованные по времени величины при помощи импульсной модуляции преобразуются в последовательность импульсов, которая воздействует на некоторую непрерывную систему.
Процесс импульсной модуляции состоит в изменении по определенному временному закону какого-либо параметра периодически повторяющихся импульсов. Основными параметрами, немодулированной последовательности импульсов (рис. 1.8) являются высота или амплитуда импульса А9 длительность или ширила импульса уТ, расстояние между импульсами, или период повторения Т.
Величина, определяющая закон модуляции, называется модулирующей величиной. В соответствии с тем, какой из параметров последовательности импульсов изменяется по закону изменения модулирующей величины, различают следующие виды импульсной модуляции [80]: амплитудно-импульсную модуляцию - АИМ, широтно-импульспую модуляцию - ШИМ, временную импульсную модуляцию - ВИМ. ВИМ включает в себя: фазово-гшпульсную модуляцию — ФИМ и частотно-импульсную модуляцию - ЧИМ. Рассмотрим более подробно принципы формирования широтно-импульсной модуляции.
В общем случае все виды ШИМ основаны на изменении длительности импульсов равной амплитуды, следующих через равные интервалы времени в соответствии с принятым законом формирования напряжения. Законы формирования, общие для любого метода модуляции, определяются функцией построения (модулирующим сигналом).
Достаточно полная, строгая и общепринятая классификация видов ШИМ в преобразовательной технике окончательно не сформировалась. На основании литературных данных [42 и др.] целесообразно распределить разновидности ШИМ по степеням соответствия параметров импульсов значениям модулирующего сигнала согласно основным признакам (рис. 1.9).По соотношению периодов модулирующего и несущего сигналов: а) синхронизированная ШИМ, когда отношение периода модулирующего сигнала к периоду несущего составляет целое число и оба сигнала совпадаюг по фазе в начале периода модулирующего сигнала; б) не синхронизированная ШИМ, когда условие а) не выполняется. 2. По соотношению знаков функции построения и выходного импульс ного сигнала: а) однотактная ШИМ, когда двухполярной функции построения соответ ствует однополярный выходной импульсный сигнал; б) двухтактная ШИМ, когда двухполярной функции построения соответ ствует двухполярный выходной импульсный сигнал. 3. По значениям уровня выходного импульсного сигнала на полупериоде несущей частоты: а) однополяркая ШИМ, когда на полупериоде несущей частоты уровень импульсного сигнала принимает значения +Еи 0 или 0 и- (где — напря жение источника питания); б) двухполярная ШИМ, когда на полупериоде несущей частоты уровень импульсного сигнала принимает значения +Е и-Е или значения +Е9 0, - Е\ в) многозонная ШИМ, когда используется несколько уровней выходного напряжения импульсного сигнала. 4. По виду входного модулирующего сигнала (функции построения); а) синусоидальная ШИМ; б) трапецеидальная ШИМ; в) "оптимальная" ШИМ, при которой задача соответствия выходной им пульсной последовательности модулирующему сигналу заменяется задачей подавления максимального количества высокочастотных гармоник, близле жащих к основной. Строго говоря, отнесение метода "оптимальной" ШИМ к модуляционным методам условно, поскольку он не осуществим с помощью традиционных систем управления, а реализуется по другим принципам. Иногда можно встретить термин "прямоугольная1 ШИМ, которую целесообразно отнести к методам широтно-импульсного регулирования либо считать частным случаем трапецеидальной ШИМ. 5- По положению изменяемых фронтов импульсов на периоде несущей частоты: а) односторонняя ШИМ: - при модуляции переднего фронта; - при модуляции заднего фронта импульса; б) двухсторонняя ШИМ, когда модулируется положение переднего и зад него фронтов импульса: - симметричная ШИМ, когда смещения переднего и заднего фронтов импульса равны по модулю и обратиы по знаку; - несимметричная ШИМ, когда предыдущее условие не соблюдается. 6- По степени соответствия длительности импульсов значениям функ ции построения: а) ШИМ первого рода [80], когда длительность импульса определяется значением функции построения в моменты времени, совпадающие с модули руемыми фронтами импульса; б) ШИМ второго рода [80], когда длительность импульса определяется значением функции построения в тактовый момент времени; в) ШИМ третьего рода [41], когда длительность импульса определяется значением функции построения, отстоящим от модулируемых фронтов на время, пропорциональное заданному коэффициенту; г) ШИМ четвертого рода [41], когда длительность импульса определяется значением функции построения, отстоящим от соответствующего момента тактового интервала на время, пропорциональное заданному коэффициенту. д) Интегральная ШИМ, при которой ширина каждого импульса определяется не одним дискретным значением функции построения, а совокупностью его значений на периоде дискретизации [71].
Анализ рядов Фурье источников напряжения с ШИМ с использованием компьютерного моделирования
Из курса математики известно, что любую периодическую функцию/я) с периодом 2тг, удовлетворяющую условиям Дирихле (все периодические функции, с которыми имеют дело в электротехнике, условиям Дирихле удовлетворяют [4], поэтому производить проверку на выполнение условий Дирихле не требуется), можно разложить в ряд Фурье.
Обозначим период функции Т9 а основную частоту - со0 =2я/Т. Переменная величина х связана со временем / соотношением:
При анализе рядов Фурье выходного напряжения с ШИМ, как правило, используется первая форма записи [16, 42, 74 и др], являющаяся более наглядной для исследований гармонического спектра несинусоидальных кривых и удобной при расчете электромагнитных процессов в нагрузке. При этом воспользуемся приближенным методом определения гармоник, описанным ниже. Графический (графо-аналитическый) метод определения гармоникряда Фурье
Графический метод определения гармоник ряда Фурье основан на замене определенного интеграла суммой конечного числа слагаемых [4]. С этой целью период функции/ґЗс), равный 2л, разбивают на п равных частей: и интегралы заменяют суммами. По определению, постоянная составляющая или где /? - текущий индекс, принимающий значения от 1 до п; /р(х)- значение функции f(x)npnx = (р-0,5) Ах, т.е. в серединер - го интервала. Амплитуда синусной с ставляющей к- гармоники ряда или амплитуда косинусной составляющей к - гармоники
Здесь sin kx и cos kx - соответственно значения функций smbc и cosfcc при x" (p- 0,5) Ax, т.е. в середине/? - го интервала.
При расчетах по формулам (23) - (2.5) число частей п, на которое делится период, определяют исходя из ожидаемого числа гармоник и необходимой точности расчетов.
Перед тем как производить графическое разложение в ряд, полезно выяснить, не обладает ли раскладываемая функция симметрией относительно осей координат. Наличие того или иного вида симметрии позволяет до проведения разложения судить, какие гармоники следует ожидать [4, 58].
Знак углов і//к в формуле (2Л) зависит от знаков Акп Ак, При построении гармоник на общем графике необходимо учитывать что масштаб по оси абсцисс для к - гармоники должен быть взят в к раз большим, чем для первой гармоники.
Фазное и линейное напряжения трехфазного источника напряжения с ШИМ обладают симметрией относительно оси абсцисс, следовательно, при разложении данных кривых в ряд Фурье следует ожидать отсутствия всех четных гармоник.
Расчет гармоник сигнала в системе схемотехнического моделирования Micro-Cap 6 производит функция HARM (и), где и - периодический сигнал (любое напряжение или ток созданной в программе модели).
Выполним разложение в ряд Фурье фазного и линейного напряжений трехфазного источника, разработанного в системе Micro-Cap 6, модель которого представлена в предыдущем разделе данной главы.
Спектральный состав источника напряжения с ШИМ, полученный в результате моделирования в системе Micro-Cap 6 изображен на рисунках 2.7 -2Л0.
Значения амплитуд соответствующих гармоник сведены в таблицы 2Л, 2.2. где Ukjsuft -действующее значение k-й гармоники линейного напряжения; и{лин -действующее значение основной гармоники линейного напряжения
Разработка трехфазного электронного измерителя активной мощности для исследований работы электрических аппаратов в условиях ШИМ
В предыдущей главе был рассмотрен спектральный состав напряжения источника питания с ШИМ. Очевидно, что для измерения энергетических показателей устройств, работающих в таких системах необходимо создание электронного ваттметра, способного работать в широком частотном диапазоне, перекрывающем спектр несинусоидальных кривых тока и напряжения.
При обзоре современных интегральных схем [27, 68, 72 и др.] было решено построить такой прибор с использованием электронного перемножителя сигналов КР525ПС2А. Частотный диапазон входных сигналов данной интегральной схемы (от 0 до 10 кГц с погрешностью перемножения не более 1%) позволяет измерять активную мощность при широтно-импульсной модуляции напряжения с несущей частотой до нескольких кГц.
На рис. 3.1. приведена функциональная схема разработанного трехфазного электронного измерителя. Принципиальная электрическая схема устройства приведена в приложении (рис. В.7),
В качестве первичных измерительных преобразователей было решено использовать трансформаторы тока и резисторные делители напряжения.
Поскольку резисторные делители напряжения не вызывают сомнений относительно достоверности передаваемой формы напряжения, их проверка при несинусоидалыюм напряжении не проводилась. вторичной обмотки (нключая шунт), материала и размеров сердечника и др. [77].
В данном случае для изготовления трансформаторов были использованы тороидальные сердечники из электротехнической стали (поперечное сечение -0,5 см2, длина средней линии - 7 см), число витков первичной обмотки Wi = 5, вторичной обмотки W2 = 100, шунтирующее сопротивление во вторичной обмотке Rm — 0,5 Ом.
Для оценки погрешности трансформаторов тока в условиях ШИМ была создана экспериментальная установка с источником ШИМ и активной нагруз кой с использованием амперметров электромагнитной и термоэлектрической систем. Как известно, показания приборов данных систем позволяют наиболее достоверно получать сведения о действующих значениях токов в широком частотном диапазоне. Предварительно была произведена проверка на идентичность показаний приборов данных типов путем их последовательного включения в цепи синусоидального тока и при ШИМ. В ходе эксперимента амперметры включались в первичную и вторичную обмотки трансформаторов тока. Результаты эксперимента приведены в таблице 3.1
Как видно из таблицы 3.1 погрешность трансформаторов тока в режиме ШИМ не превышает 0,2 % по сравнению с синусоидальным режимом питания, что делает их пригодными для исследования систем с ШИМ. При использовании данных трансформаторов в цепях, с индуктивным характером нагрузки их погрешность будет меньше указанной, что связано с более низким содержанием высших гармоник в кривых тока.
В состав перемножающих устройств ПУ (см. рис. 3.1) входят усилители сигналов трансформаторов тока, выполненные на операционных усилителях КР140УД608 и перемножители сигналов, выполненные на интегральных схемах КР525ПС2А.
Настройка леремножителя сигналов на минимальную погрешность производится с помощью потенциометров (см. приложение, рис. В.7.) согласно алгоритму, приведенному в [72].
Градуировка трехфазного электронного измерителя активной мощности При градуировке электронного ваттметра в качестве образцового использовался прибор электродинамической системы типа Д533 с классом точности 0,2 %, Выше указывалось, что погрешность прибора данного типа является следствием зависимости крутящего момента подвижной части прибора от частоты питающего напряжения, тока и их временной формы,
В связи с этим градуировка электронного трехфазного ваттметра с использованием прибора электродинамической системы проводилась при синусоидальном режиме питания.
Градуировка проводилась следующим образом. Для выполнения настройки всех перемножителей (ПУ1, ПУ2, ПУЗ) на идентичность показаний каждый из них был включен на измерение мощности, потребляемой одной и той же нагрузкой (см. рис. 3.2).
Перемножающие устройства, осуществляющие функцию перемножения сигналов датчиков напряжения и тока в нагрузке: имеют выходные напряжения, пропорциональные активной мощности: активной мощности, выделяемой в нагрузке, Вт.
Путем изменения параметров усилителей сигналов трансформаторов тока был получен одинаковый коэффициент пропорциональности &для всех перемножающих устройств.
Пропорциональные мгновенному значению мощности в нагрузке фазы сигналы перемножающих устройств поступают на сумматор.
Определение энергетических характеристик асинхронного двигателя в условиях ШИМ
Структурная схема экспериментальной установки для определения энергетических характеристик асинхронного двигателя приведена на рис, 4.1. л эаов Эксперимент выполнялся с использованием следующего оборудования: - преобразователь частоты Mitsubishi Е500 FR-E540-5,5K-EC (ном. мощность 5,5 кВт); -асинхронный двигатель AI4P100L2Y3 (ном, мощность 5,5 кВт, 3 000 об/мин); - генератор постоянного тока П22 М со смешанным возбуждением (активное сопротивление нагрузки RH = 5 Ом, активное сопротивление параллельной обмотки возбуждения (ПОВ) RB = 106 Ом, добавочное сопротивление (рео стат) в цепи ПОВ Кд = 0,..500 Ом); — трехфазный электронный ваттметр; — датчик вращающего момента, основанный на времяимпульсном методе измерения; - цифровые измерительные приборы (мультиметры) MASTECH MAS-830L, MASTECHM-832; — осциллограф С1-68, образцовый частотомер электронно-счетный 43-54. В ходе эксперимента изменялись следующие параметры питающей цепи; -частота основной гармоники питающего напряжения/; = 25...50 Гц; - несущая частота питающего напряжения с ШИМ - 700 Гц; - действующее значение основной гармоники фазного напряжения при//= 50 Гц /, = 220B; — закон частотного регулирования Uf If} = const.
В ходе эксперимента проводился предварительный прогрев двигателя при номинальной нагрузке в течение 10 минут. В таблице 4.1 приведены результаты определения потерь мощности и КПД асинхронного двигателя при / = 25...50 Гц для случаев синусоидального питания и ШИМ напряжения.
Модуляционные потери мощности определялись следующим образом. Определялись значения потребляемой асинхронным двигателем мощности Р] при синусоидальном питающем напряжении и в условиях ШИМ при равных значениях выходной механической мощности Р2. В данных условиях потребляемую двигателем мощность можно представлять в виде следующих сумм:модуляционные потери мощности в двигателе в условиях ШИМ питающего напряжения, АР - электрические потери мощности в обмотках двигателя при синусоидальном напряжении питания (или от основной гармоники при ШИМ), АРст - потери на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе двигателя при синусоидальном напряжении питания (от основной гармоники в условиях ШИМ), АРмех - механические потери мощности в асинхронном двигателе. Таким образом, при постоянном значении выходной мощности асинхронного двигателя, модуляционные потери мощности определяются следующим образом:
На рис. 4.2 представлены графики зависимости потерь мощности от выходной механической мощности АД при частоте// = 50 Гц, а на рис. 4.3 -графики зависимости КПД двигателя от момента при fj 25...50 Гц (при законе частотного регулирования, представленного на рис. 2.25 и несущей частоте ШИМ - 700 Гц).
Как видно из рис, 4.2, потери в асинхронном двигателе при ШИМ в диапазоне нагрузок до 70 % от номинальной возрастают более чем на 10 % по сравнению с синусоидальным режимом питания. Потери мощности от высших гармоник постоянны и согласно экспериментальным данным составляют 56 Вт. Такой результат является подтверждением расчетного значения модуляционных потерь мощности в асинхронном двигателе, полученного с использованием предложенной во второй главе методики расчета.
В настоящее время преобразователи частоты с ШИМ получают распространение в качестве источников питания различных электрических аппаратов, рассчитанных на синусоидальные режимы питания.
В данных условия представляет интерес исследование влияния широтно-импульсной модуляции на работу наиболее распространенного в промышленности средства учета электрической энергии - индукционного счетчика электроэнергии. Кроме того, возникновение несинусоидальных режимов питания, ужесточение требований к устойчивости энергосистем также осложняет условия работы релейной защиты и повышает требования к ее быстродействию, чувствительности и надежности» В связи с этим также представляет интерес исследование влияния ШИМ на работу таких средств защиты потребителей от перегрузок и аварийных режимов, как автоматические выключатели и индукционные реле, несмотря на то, что на замену последним в настоящее время приходят электронные реле.
В прилооїсении А приведены данные экспериментальных исследований влияния несинусоидальности питающего напряжения, обусловленной ШИМ, на работу индукционных счетчиков электроэнергии, индукционных реле тока, индукционных реле напряжения, индукционных реле направления мощности и автоматических выключателей.
В результате проведенных экспериментов получены следующие результаты, представляющие практическую ценность.1- В условиях ШИМ время срабатывания реле направления мощности возрастает на величину до 42 %, а показания индукционного счетчика электроэнергии меньше реальных значений также до 42 % (исследования были проведены с использованием разработанного в третьей главе электронного счетчика электроэнергии для цепей с ШИМ),2. Время срабатывания индукционных реле тока и напряжения в условиях ШИМ увеличивается па величину до 14 % по сравнению с синусоидальным режимом питания, 3. При протекании тока с высоким содержанием гармоник время срабатывания автоматических выключателей сокращается, что объясняется эффектом вытеснения тока на поверхность термического элемента и соответственно более интенсивным его нагреванием. При этом время срабатывания автоматических выключателей в условиях ШИМ по сравнению с синусоидальным режимом уменьшается на величину до 13 %.1. Экспериментально установлены значения КПД асинхронного двигателя в условиях ШИМ при значениях частот основной гармоники питающего напряжения 25...50 Гц (при законе частотного регулирования Ui/fi=const и несущей частоте 700 Гц).2. Потери мощности в асинхронном двигателе при изменении его нагрузки в диапазоне от 40 до 70 % от номинальной в условиях ШИМ возрастают на величину от 10 до 16 % по сравнению с синусоидальным режимом питания.3. Величина потерь мощности в АД от высших гармоник питающего напряжения с ШИМ, полученная по результатам проведенного эксперимента, при изменении нагрузки двигателя постоянна и подтверждает теоретический расчет.4. Использование преобразователей частоты приводит к изменению теплового режима работы АД и необходимости снижения его нагрузки, 5. Разработанная в ходе исследований энергетических характеристик АД установка (стенд) может быть использована для исследований рабочих и механических характеристик асинхронных двигателей, для снятия зависимостей статических моментов рабочих машин от скорости вращения, а также для контроля технологических процессов (контроль качества обкатки двигателей внутреннего сгорания, контроль технологических процессов на токарных станках и др.).
