Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов испытаний асинхронных тяговых электродвигателей 11
1.1. Современное состояние и перспективы развития электроподвижного состава в России 11
1.2. Анализ нормативно - технической базы в регулируемом электроприводе с асинхронными электродвигателями 18
1.3. Анализ существующих схем испытаний асинхронных тяговых электродвигателей 21
1.4. Постановка задач по разработке системы энергосберегающих испытаний асинхронных тяговых электродвигателей 29
Выводы 32
2. Разработка энергосберегающей схемы и технологии испытаний асиннхронных тяговых электродвигателей 33
2.1. Исследования энергозатрат при испытании асинхронных электродвигателей средних и больших мощностей 33
2.2. Схемы испытаний асинхронных электродвигателей с возвратом энергии в сеть 41
2.3. Разработка схемы взаимной нагрузки для испытаний асинхронных тяговых электродвигателей 44
2.4. Обоснование энергосберегающего метода испытаний асинхронных электродвигателей 49
Выводы 54
3. Моделирование схемы испытаний;асинхронных тяговых электродвигателей 55
3.1. Математическое моделирование асинхронных тяговых электродвигателей включенных по схеме взаимной нагрузки... 55
3.2. Реализация математической модели схемы испытаний асинхронных тяговых электродвигателей 69
3.3 Влияние законов управления испытуемого двигателя на энергетические характеристики схемы взаимной нагрузки 76
3.4. Обработка результатов моделирования 86
Выводы 95
4. Экспериментальные исследования асинхронных электродвигателей по схеме взаимной нагрузки . 96
4.1. Разработка методов измерения потребляемой мощности при испытаниях асинхронных тяговых электродвигателей 96
4.2. Алгоритм обработки сигналов 101
4.3. Работа экспериментальной установки для исследования энергетических характеристик при испытаниях асинхронных электродвигателей 107
4.4. Экспериментальные исследования схемы по методу взаимной нагрузки 112
4.5. Экономическое обоснование применения схемы взаимной нагрузки 118
Выводы 122
Заключение 123
Список литературы 125
Приложения 137
- Анализ нормативно - технической базы в регулируемом электроприводе с асинхронными электродвигателями
- Схемы испытаний асинхронных электродвигателей с возвратом энергии в сеть
- Реализация математической модели схемы испытаний асинхронных тяговых электродвигателей
- Работа экспериментальной установки для исследования энергетических характеристик при испытаниях асинхронных электродвигателей
Введение к работе
Современное состояние тяговых электрических машин (ТЭД) на железнодорожном транспорте характеризуется высокой аварийностью и средним фактическим сроком службы до ремонта не превышающем 600 тыс. км пробега. Имеются попытки повысить срок службы применением новых материалов и технологий, но они носят несистемный характер, и решить проблему не могут. Для оценки ресурса ТЭД во время эксплуатации, не организован мониторинг состояния электрических машин, без которого невозможно говорить об оценке остаточного ресурса, а значит о переходе на восстановительный ремонт по фактическому состоянию. Решение этой задачи актуально, так как стареющий парк электрических машин с каждым годом требует увеличения затрат на его восстановление.
Требования к качеству и надежности ТЭД постоянно повышаются. Одним из путей выполнения этих требований является строгое соблюдение условий испытаний, проводимых на всех этапах изготовления, и объективная оценка данных, полученных в процессе испытаний. Это в полной мере относится и к приемо-сдаточным испытаниям. По оценке специалистов затраты труда на проведение приемо-сдаточных испытаний сегодня составляют до 13 % от трудоемкости изготовления ЭМ. В соответствии с требованиями международных и национальных стандартов, испытания тяговых асинхронных электродвигателей (АТЭД) следует проводить не только в режиме холостого хода и короткого замыкания, но и часовом режиме при полной нагрузке.
Вклад в области исследований посвященных вопросам испытаний и надежности электрических машин внесли ученые, такие как: Жерве Г.К., Котеленец Н.Ф., Кравчик А.Э., Кузнецов В.А., Гольдберг О.Д., Копылов И.П., Иванов-Смоленский А.В. и многие другие.
По прогнозам специалистов, коллекторные ТЭД будут эксплуатироваться в России еще не менее 30 лет. Переход на асинхронные ТЭД вызовет полное переоснащение ремонтной базы, включая испытательные станции для АТЭД и разработку преобразователей частоты.
Большой вклад, в решение вопросов, совместной работы асинхронного двигателя и преобразователя частоты внесли такие ученые как: Костенко М.П., Беспалов В.Я., Казаков Ю.Б., Браславский И.А., Ильинский Н.Ф., Радин В.И. и многие другие.
Учитывая, что мощность современных АТЭД для грузовых электропоездов должна быть выше 1000 кВт, затраты электроэнергии на испытания такого ТЭД составляют более 1,5 тыс. кВт-ч. Испытания коллекторных ТЭД осуществляют методом взаимной нагрузки (возвратной работы). В этом случае испытываются одновременно два идентичных ТЭД: один работает в режиме двигателя, второй - в режиме генератора, а компенсация потерь осуществляется за счет внешней сети.
Для АТЭД такие схемы не применяются. Испытательных станций для асинхронных тяговых электродвигателей с реализацией энергосберегающей технологии испытания в настоящее время не существует. Учитывая, что перспектива широкого применения АТЭД велика, уже сейчас имеются опытные образцы электровозов с асинхронными ТЭД. Поэтому, задача создания энергосберегающих методов испытания для АТЭД является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка энергосберегающих методов испытаний асинхронных тяговых
электродвигателей средних и больших мощностей. Для достижения этой цели решались следующие задачи:
Теоретическое обоснование использования схемы взаимной нагрузки для испытаний асинхронных тяговых электродвигателей средних и больших мощностей.
Исследование влияния режимов испытаний АТЭД на энергетические характеристики испытательной станции, реализующей схему взаимной нагрузки.
Разработка алгоритмов измерения токов, напряжений и определения подводимой активной мощности при проведении испытаний АТЭД по схеме взаимной нагрузки.
Экспериментальное исследование разработанной схемы по методу взаимной нагрузки.
Разработка автоматизированной системы испытаний и алгоритмов ее реализации.
Научная новизна
Определен критерий и создан алгоритм оценки энергосбережения при испытаниях, использование которого позволяет определить наиболее эффективную схему испытаний АТЭД.
Разработана математическая модель АТЭД, включаемых по схеме взаимной нагрузки, которая позволяет оценить рабочие и механические характеристики, определить наиболее экономичный режим испытаний, построить энергетические характеристики и произвести расчет энергозатрат.
Разработаны алгоритмы обработки сигналов токов и напряжений при проведении испытаний АТЭД, позволившие проводить обработку полученных данных при испытаниях в автоматизированном режиме.
Разработаны алгоритмы и методики энергосберегающих испытаний мощных АТЭД, позволяющих экономить до 80 % потребляемой электроэнергии.
I 7
Практическая ценность вытекает из следующих результатов:
Предложена практическая схема испытаний крупных АТЭД с частотным регулированием по методу взаимной нагрузки с возвратом до 80 % энергии в сеть. Схема защищена патентом РФ.
Разработана схема измерений и передачи измерительных сигналов, также алгоритм для их обработки, реализованные в автоматизированной станции испытаний крановых двигателей на ОАО «Сибэлектромотор».
В международном учебно-научном центре МУНЦ «Данфосс» ЭЛТИ
ТПУ создан учебный стенд, в котором реализованы исследования АД, включенного по схеме взаимной нагрузки. Положения, выносимые на защиту
Энергосберегающий метод и схема испытаний асинхронных тяговых электродвигателей, позволяющая одновременно проводить испытания двух одинаковых асинхронных тяговых электродвигателей, без использования дополнительных машин.
Математическая модель асинхронных тяговых электродвигателей, включенных по схеме взаимной нагрузки, а также закон управления испытуемым двигателем, работающим от ПЧ, который обеспечивает наиболее экономичный режим испытаний.
Методы и средства определения энергетических характеристик, устройство измерения активной мощности в трехфазных цепях несинусоидального напряжения и программное обеспечение для проведения обработки результатов испытаний.
Экспериментально полученные результаты исследования в виде
рабочих характеристик исследуемого асинхронного двигателя, осциллограммы токов и напряжений, полученные в результате испытаний по схеме взаимной нагрузки.
Методы исследования. При решении поставленных задач по исследованию работы схемы взаимной нагрузки при испытаниях крупных
8 машин переменного тока, в диссертационной работе использовались математические и экспериментальные методы электротехники и электромеханики, информационные компьютерные технологии и программные пакеты MathCAD, MatLab. Из методов математики в работе использовались методы решения дифференциальных уравнений. В области электротехники и электромеханики использовались теория машин переменного тока, теория систем управления, теория эквивалентных схем замещения. Для разработки программного обеспечения использовались методы цифровой обработки сигналов, при решении вычислительных и офисных задач использовались пакеты программ LabVIEW, Microsoft Word, Microsoft Excel, Microsoft Visio. Экспериментальные исследования были проведены с помощью непосредственных методов испытаний электрических машин в соответствие с ГОСТами.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении ряда научно-исследовательских тем, а также при проектировании и изготовлении станции приемо-сдаточных испытаний крановых электродвигателей на ОАО «Сибэлектромотор». Разработанная в диссертационной работе экспериментальная установка по схеме взаимной нагрузки используется в учебном процессе Томского политехнического университета при подготовке студентов направления 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие двух актов о внедрении.
Апробация
Основные результаты и положения диссертационной работы обсуждались на заседаниях кафедры Электрических машин и аппаратов ЭЛТИ ТЛУ в период с 2005 — 2009 гг. и на ежегодных конференциях молодых ученых и аспирантов: Международная научно — практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техники и
9 технологии» (г. Томск, 2004- 2009 гг.); Всероссийская научно -практическая конференция с международным участием «Повышение эффективности производства энергии в условиях Сибири» (г. Иркутск,
г.); Всероссийская конференция - конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение» (г. Томск,
г.); Международная научно - техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2007 — 2009); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (г. Новосибирск, 2007 г.); Международная конференция IFOST 2009 (Вьетнам).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, 3 из них в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. Получен 1 патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованных источников 113 наименований и 3 приложений. Она содержит 139 страниц машинописного текста, 10 таблиц и 44 иллюстраций.
Во введении обоснована актуальность задачи по разработке схемы испытаний тяговых асинхронных электродвигателей, определена цель и задачи работы, сформулированы научная новизна и практическая ценность.
Первая глава посвящена анализу состояния и перспективам развития тяговых машин электроподвижного состава в России, а также проведен анализ нормативно - технической базы в регулируемом электроприводе с асинхронными двигателями. Представлены основные схемы, которые используются при испытаниях крупных электрических машин переменного тока. В результате поставлены задачи по исследованию и совершенствованию методик и средств испытаний крупных АД.
Вторая глава посвящена анализу энергетических затрат, связанных с работой асинхронного двигателя при испытаниях, а также проведен анализ затрат в схеме испытаний с возвратом энергии в сеть. Разработана энергосберегающая схема испытаний асинхронных машин средней и большой мощности по методу взаимной нагрузки, с использованием преобразователя частоты. Проведен расчет обоснование применение схемы взаимной нагрузки через коэффициент экономичности, который характеризует количество потребленной электроэнергии за цикл испытаний. Проведен сравнительный анализ разработанной схемы со схемами, использующимися в настоящее время в промышленности.
Третья глава посвящена математическому моделированию работы АТЭД, включенного по схеме взаимной нагрузки. Проведен анализ влияния законов управления испытуемым двигателем на энергетические характеристики схемы взаимной нагрузки. На основании анализа предложен закон управления испытуемым двигателем работающим от преобразователя частоты с постоянным скольжением, использование которого приводит к наименьшим энергетическим затратам при испытаниях.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям схемы взаимной нагрузки на физической модели. При создании физической модели были разработаны основные алгоритмы измерений электрических параметров во время испытаний, а также метод позволяющий измерять активную мощность двигателя, работающего от преобразователя частоты. Проведен ряд экспериментов, на основании которых были сформулированы рекомендации по применению разработанной схемы взаимной нагрузки.
В заключении сделаны выводы и приведены основные результаты исследований.
Анализ нормативно - технической базы в регулируемом электроприводе с асинхронными электродвигателями
В настоящее время не существует единого стандарта на комплектный ЭП с частотно-регулируемыми АД. Однако на отдельные части привода разработан ряд стандартов с техническими требованиями, характеристиками, нормами и методами испытаний. К элементам регулируемого электропривода с АД можно отнести: двигатель, преобразователь частоты, фильтр для обеспечения электромагнитной совместимости, вентилятор — наездник (если таковой имеются). Структура нормативно — технической документации представлена на рис. 1.1. Исходя из структуры нормативно-технической базы, стандарты можно разбить на 3 группы: Группа 1: Основные технические требования на элементы системы привода. Группа 2: Требования к характеристикам и параметрам отдельных элементов ЭП. Группа 3: Методы испытания и испытательное оборудование.
Стандарты групп 1 и 2 являются базовыми нормативными документами. Данные стандарты устанавливают требования к электрическим параметрам и режимам работы, частично в виде конкретных норм, но, большей частью, в виде стандартного ряда параметров и режимов, которыми следует руководствоваться при разработке регулируемых электродвигателей. Стандарты группы 3 используются при разработке методик и программ испытаний. Данная группа стандартов устанавливает требования на методы и средства испытания. Энергетические параметры ПЧ и АД определяются для преобразователей [26], а для двигателей [27, 28, 29, 30]. При эксплуатации частотно - регулируемого АД с преобразователем на его работу оказывают влияние электромагнитные помехи. На АД, предназначенных для работы от сети переменного тока напряжением до 1000 В, частотой 50 и 60 Гц, которые в условиях эксплуатации могут находится под воздействием помех распространяется ГОСТ Р 50034-92. Стандарт устанавливает нормы на уровни устойчивости двигателя к воздействию помех следующих видов: отклонению напряжения, отклонению частоты, одновременному отклонению напряжения и частоты, несимметрии питающего трехфазного напряжения и несинусоидальности, а также на методы испытаний двигателей на устойчивость к перечисленным помехам. Установить виды помех, воздействующих на работу частотно-регулируемого АД, можно из анализа структуры системы управления и силовой части ПЧ. Согласно данному стандарту в условиях эксплуатации АД с ПЧ имеет место ухудшение характеристик АД: возникают дополнительные потери, добавочные моменты от высших гармоник выходного напряжения ПЧ, усиливается магнитный шум, снижается срок службы системы изоляции. А для того, чтобы избежать перегрева двигателя вращающий момент, номинальная мощность на валу должны быть снижены. Кроме международных и национальных стандартов, регламентирующих параметры, характеристики, общие технические требования, методы испытании отдельных элементов привода, дополнительные ограничения на характеристики накладывают технические условия, а также устанавливают специальные испытания и перечень оборудования при испытаниях. Особенности электропотребления регулируемых ЭП с частотно - регулируемыми АД рассмотрены в [31, 32].
Измерительные приборы и вспомогательные устройства, такие как измерительные трансформаторы, шунты и мосты, применяемые при исследовании электромагнитных параметров должны быть класса точности не ниже 0,5. При этом полоса пропускания измерительных приборов, трансформаторов, шунтов, мостов должна быть выше частоты коммутации ключей инвертора ПЧ. Приборы должны быть выбраны так, чтобы отсчеты производились в эффективном диапазоне шкалы. Критерием электромагнитной совместимости устройств электроприводов между собой является возможность работы в заданном диапазоне частот вращения с номинальной нагрузкой.
Выбор схемы испытаний ЭМ определяется характеристиками электрооборудования испытательной станции, но все их можно охарактеризовать рядом количественных и качественных параметров, которые позволяют определить эффективность данного технологического процесса.
Одним из количественных параметров является мощность дополнительно установленного электрооборудования, которая выражается кратностью по отношению к мощности испытуемой электрической машины. Она также определяет необходимую площадь испытательной станции.
Другим параметром является количество потребляемой электроэнергии при испытании. Поскольку объекты испытаний различаются по мощности, этот параметр можно выразить в относительных единицах и назвать коэффициентом экономичности схемы. Он будет равен отношению разности активных мощностей, потребляемых испытуемой электрической машиной и схемой испытаний в целом к потребляемой активной мощности испытуемой электрической машиной.
С этой точки зрения наиболее экономичными являются схемы испытаний электрических машин по методу взаимной нагрузки, когда две электрические машины соединены электрически и механически так, что одна из них, работая в режиме генератора, отдает всю вырабатываемую ею электрическую энергию второй электрической машине, работающей в режиме электродвигателя, а последняя расходует всю развиваемую ею механическую энергию на вращение первой электрической машины [33]. Энергия извне потребляется только на покрытие потерь в схеме.
Схемы испытаний асинхронных электродвигателей с возвратом энергии в сеть
Электрические машины испытываются под нагрузкой на нагрев, надежность, а также при определении их энергетических характеристик. В соответствии с ГОСТ 25000-81 при испытаниях используются методы непосредственной или косвенной нагрузки [49, 50]. При использовании методов непосредственной нагрузки испытания проводятся в номинальном режиме, который не отличается от условий работы в реальных условиях. Он может быть реализован тремя способами: без отдачи и с отдачей энергии в сеть, а также путем взаимной нагрузки. При использовании метода косвенной нагрузки в машине искусственно создаётся тепловой режим, соответствующий работе в номинальных условиях. Это достигается путём чередования режимов холостого хода и короткого замыкания. Работа машины в этом случае отличается от работы в реальных условиях, и такой способ нагрузки может быть рекомендован при проведении испытаний машин постоянного тока и синхронных машин на нагревание, а в ряде случаев на надежность [49, 51].
В качестве нагрузки ЭМ при использовании метода непосредственной нагрузки без отдачи энергии в сеть используются проволочные, жидкостные или ламповые нагрузочные реостаты. В этом случае вся электрическая энергия, отдаваемая ЭМ, поглощается в нагрузочных реостатах. Регулирование нагрузки осуществляется путем изменения сопротивления нагрузочного реостата или путем регулирования напряжения генератора. Данный метод испытания нашел широкое применение при испытаниях ЭМ небольшой мощности [49]. Для крупных тяговых и общепромышленных машин целесообразней использовать метод непосредственной нагрузки с отдачей энергии в сеть. Испытания данным методом проводятся по следующим схемам [51, 52, 53], представленным на рис. 2.4. Испытуемый двигатель (ИД) (рис. 2.4, а) в этом случае питается от сети переменного тока. ИД приводит во вращение нагрузочный генератор постоянного тока (ГПТ), якорная обмотка которого соединяется с якорной обмоткой двигателя постоянного тока (ДПТ) по схеме «генератор -двигатель», скорость которого следует поддерживать постоянной. Двигатель ДПТ механически соединен с синхронным генератором (СГ), который отдает выработанную энергию в сеть. Потери мощности в данной схеме подразделяются на: 1. Потери в исследуемом двигателе, к нему подводится электрическая мощность Р\, при работе двигателя имеем электрические потери на нагрев обмоток статора и ротора Арм, магнитные потери в стали сердечников Арс и суммарные механические потери АрМЕХ. Разница между подводимой электрической мощностью и потерями представляет собой полезную механическую мощность на валу двигателя Р2, создающая полезный момент двигателя. 2. Потери в нагрузочном генераторе постоянного тока. Подводимая мощность к валу генератора Рх (в нашем случае полезная мощность исследуемого двигателя Р2) без механических АриЕХ и магнитных потерь Арс преобразуется в электромагнитную мощность, которая частично расходуется на электрические потери в цепи якоря Аря, а остальная часть представляет собой полезную мощность Рх, за исключением потерь, возникающих в обмотке возбуждения Арв. 3. Потери в двигателе постоянного тока.
Первичная электрическая мощность Р{, подводится с обмотки якоря генератора постоянного тока. Эта мощность расходуется на покрытие потерь в обмотке возбуждения Арв и электрические потери &ря, полученная электромагнитная мощность, за исключением потерь в магнитной системе Арс и механических потерь, представляет собой полезную мощность Р2 на валу двигателя. 4. Потери в синхронном генераторе. Подводимая мощность к валу генератора Рх (в нашем случае полезная мощность i двигателя постоянного тока) без механических АрМЕХ и потерь в обмотке возбуждения образует электромагнитную мощность. Которая за вычетом электрических потерь на нагрев обмотки статора Арм и магнитных потерь в стали А/?с, образует выходную активную мощность Р2, которая отдается в питающую сеть. Большое количество преобразований энергии приводит к усложнению схемы испытаний. При использовании данной схемы для испытания крупных асинхронных машин на испытательных станция должны быть в наличии, как машины постоянного тока, так и синхронный генератор. Мощность, которых должна значительно превышать мощность испытуемых АТЭД. Реализация испытаний данным методом требует многократного преобразования энергии и усложнению комплекса испытательного оборудования. Поэтому применение данного метода экономически не целесообразно. Требования к качеству и надежности ТЭД постоянно повышаются.
Пути выполнения этих требований является строгое соблюдение условий испытаний, проводимых на всех этапах изготовления, и объективная оценка данных, полученных в процессе испытаний. Это в полной мере относится к испытаниям, проводимым на собранной электрической машине. Это особенно важно при серийном и массовом производстве [49]. Особое место занимают исследования, связанные с оценкой надежности ТЭД и его отдельных узлов. ТЭД электровозов, при сложных условиях эксплуатации и высоких требованиях к надежности, проектируется с жестким ограничением объема и массы. Поэтому они являются ЭМ предельной мощности [53, 54]. Стендовые испытания требуют создания сложных комплексных устройств и больших затрат. Это определяется тем, что надежность в эксплуатации изменяется под воздействием комплекса различных причин, часть из которых трудно моделировать на стенде, и тем, что при моделировании реальных эксплуатационных нагрузок для испытаний требуется длительное время, большие затраты электроэнергии и труда квалифицированных специалистов. При этом ТЭД не выполняет полезной работы, как это имеет место в оценке надежности по результатам эксплуатации. Основные испытания выполняются под нагрузкой. Учитывая, что мощность ТЭД сравнительно велика, то для их нагружения, с целью экономии электроэнергии, используются схемы испытания позволяющие возвращать энергию в сеть (возвратной работы). С этой точки зрения наиболее экономичными являются схемы испытания ЭМ по методу взаимной нагрузки [33, 34]. В этом случае испытывается одновременно два ТЭД: один работает в режиме ЭД, второй - в режиме генератора. Энергия извне потребляется только на покрытие потерь в схеме. Схема взаимной нагрузки широко применяется для испытаний крупных ТЭД постоянного тока. При испытаниях асинхронных машин по методу взаимной нагрузки непосредственное их сопряжение до настоящего времени было невозможным, так как частоты вращения двигателя и генератора при равном числе полюсов различны [55, 56]. Соединение производится с помощью механической передачи, а заданные частоты вращения реализуются подбором диаметров шкивов, устанавливаемых на валах испытуемых машин, или за счет передаточного отношения редуктора [49]. Отметим также, что мощность асинхронной машины при неизменном напряжении зависит только от величины скольжения, поэтому способ подключения механического источника энергии в данном случае оказывается неприемлемым. Применяется лишь способ параллельного включения источника питания.
Реализация математической модели схемы испытаний асинхронных тяговых электродвигателей
Для построения структурной модели асинхронного электродвигателя перепишем систему уравнений (3.25) в виде: Запишем данную систему уравнений в операторной форме в подвижной системе координат, вращающейся со скоростью vKC. Для этого разложим векторные величины на проекции по вещественной и мнимой осям х и jy соответственно и переведем систему в операторную плоскость, d произведем замену: р = —, где р — оператор Лапласа. dr Запишем уравнение движения ЭМ (3.29) и выражение для момента (3.28) во вращающейся системе координат в операторной форме: Итоговая система уравнений для построения математической модели асинхронного электропривода запишем в неподвижной системе координат а, Р, при условии, что VK(f=Q Для моделирования асинхронного двигателя в генераторном режиме система уравнений (3.33) будет выглядеть следующим образом: Предложенные системы уравнений (3.33) и (3.34) используются для создания математической модели испытаний двух одинаковых АТЭД, работающих в различных режимах, соединенных по схеме взаимной нагрузки. Для решения систем дифференциальных уравнений воспользуемся программным пакетом MatLab.
В данной работе моделирование системы асинхронный двигатель -асинхронный генератор, осуществляется с помощью системы визуального моделирования SIMULINK, входящей в универсальный программный пакет MatLab. В данный пакет входят как стандартные средства: решение дифференциальных и алгебраических уравнений, так и нетрадиционные, способные претендовать на определенную уникальность в своем роде: средства цифровой обработки изображений, поиск решений на основе нечеткой логики и т.д. [85, 86, 87]. На рис. 3.4 приведена структурная схема линеаризованной модели асинхронного электродвигателя, составленная по системам уравнений (3.33) и (3.34). Входными параметрами в данной системе являются входные напряжения и момент нагрузки, а в качестве выходных параметров принимаются токи обмоток статора и ротора, полезный момент на валу двигателя и частота вращения. Структурная схема на рис. 3.4 для общего случая асинхронной машины, в случае моделирования двигательного режима работы испытуемого АТЭД, момент нагрузки принимается отрицательным, а в случае генераторного — положительным. На рис. 3.5 представлена реализация имитационной модели схемы взаимной нагрузки для испытания АТЭД в неподвижной системе координат. При проведении испытаний АТЭД по схеме взаимной нагрузки запуск двигателей происходит поочередно в режиме холостого хода. Учитывая номинальные данные машин, необходимо подобрать такой режим пуска, при котором токовые перегрузки в машинах были наименьшими. В данном случае возможны два варианта: первый, когда первым запускается испытуемый двигатель, работающий от ПЧ, вторым нагрузочный работающий от сети; второй случай, когда первым запускается нагрузочный двигатель от сети, вторым двигатель, работающий от сети. При использовании первого варианта испытуемый двигатель запускается от ПЧ при плавном изменении частоты и амплитуды питающего напряжения рис. 3.6 в этом случае кратность пускового тока составляет 3,0 -3,5 о.е.
Работа экспериментальной установки для исследования энергетических характеристик при испытаниях асинхронных электродвигателей
Расхождение графиков активной мощности, потребленной схемой из сети на покрытие потерь в схеме, полученных при математическом и физическом моделировании не превышает в среднем 9 %, что связано с принятыми допущениями при математическом моделировании. Полученные экспериментальные данные подтверждают зависимость коэффициента экономичности от КПД испытуемых машин. Экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что применение схемы взаимной нагрузки целесообразней применять для испытаний асинхронных машин средних и больших мощностей. Так как АД средних и больших мощностей обладают более высокими энергетическими характеристиками. Используя принцип подобия на основании того что законы, описывающие работу всех асинхронных машин [109, 110], распространяются как на общепромышленные, так и на тяговые, то результаты физического моделирования можно распространить на АТЭД, со следующими замечаниями. Поскольку АТЭД обладают .относительно меньшими значениями активных сопротивлений статора и ротора по сравнению с двигателем используемыми при физическом моделировании, то АТЭД будет обладать меньшими электрическими потерями. Меньшие электрические потери позволят уменьшить суммарные потери, что приведет к повышению экономичности схемы в целом. Поскольку номинальная частота вращения асинхронных машин зависит от значений активных сопротивлений, то при испытании АТЭД по схеме взаимной нагрузки для возбуждения двигателя, работающего в генераторном режиме, достаточно будет увеличить частоту вращения на несколько герц.
Для физической модели для возбуждения потребовалось увеличения частоты до 10 - 12 Гц. Таким образом, модель схемы взаимной нагрузки будет эффективна в использовании для определения наиболее выгодных режимов испытания АТЭД. Использование любого оборудования, в том числе и схемы, должно иметь экономическое обоснование целесообразности его применения [111]. Проведем сравнительный анализ схем испытания на примере АТЭД НТА-1200 [112], номинальные параметры приведены в табл. 4.2.
Для испытания АТЭД магистральных электровозов в ОАО ВЭлНИИ используется схема возвратной нагрузки для испытания АТЭД с покрытием потерь мощности от ДПТ (рис. 1.5) [34]. Данная схема позволяет одновременно уменьшить установленную мощность и регулировать частоту и амплитуду питающего напряжения. Потребляемая из сети мощность: Схема для испытаний АТЭД по методу возвратной нагрузки без согласования с сетью содержит ряд недостатков, что приводит к дополнительным преобразованиям энергии. С учетом недостатков схемы возвратной нагрузки таких как, наличие вспомогательных машин, что приводит к увеличению площади испытательной станции, усложнению схемы управления и увеличивает количество преобразований энергии, была предложена схема взаимной нагрузки (раздел 2.3). Данная схема позволяет минимизировать имеющиеся недостатки схемы возвратной нагрузки. Коэффициент экономичности схемы взаимной нагрузки: Мощность, которую экономим во время испытаний при использовании схемы взаимной нагрузки, потребляемая из сети на покрытие потерь: Экономия стоимости потребленной электроэнергии при проведении испытаний методом взаимной нагрузки по сравнению с методом возвратной нагрузки для испытаний АТЭД с покрытием потерь мощности от ДПТ: Процент экономии стоимости потребленной электроэнергии при проведении испытаний методом взаимной нагрузки по сравнению с методом возвратной нагрузки для испытания АТЭД с покрытием потерь мощности от ДОТ: Так как при использовании метода взаимной нагрузки одновременно испытаниям подвергаются два АТЭД, то будет более справедливо рассчитать величину стоимости испытаний, приходящуюся на один двигатель: где т — количество одновременно испытываемых двигателей. Удельная экономия стоимости потребленной электроэнергии при проведении испытаний методом взаимной нагрузки по сравнению с методом возвратной нагрузки для испытаний АТЭД с покрытием потерь мощности от Удельный процент экономии стоимости потребленной электроэнергии при проведении испытаний методом взаимной нагрузки по сравнению с методом возвратной нагрузки для испытания АТЭД с покрытием потерь мощности от ДПТ: Для расчета по определению экономии за год воспользуемся данными по количеству прошедших испытания ТЭД постоянного тока на средней испытательной станции. В среднем на одной испытательной станции в год испытания проходят около 1000 ТЭД постоянного тока, предположим, что при переходе на АТЭД объемы двигателей, проходящих испытания, останутся на том же уровне, тогда экономия стоимости потребленной электроэнергии при проведении испытаний методом взаимной нагрузки составит около 541 тыс. руб.
