Повышение энергоэффективности и эксплуатационной надежности электропривода в системах водоснабжения Лиходедов Андрей Дмитриевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Лиходедов Андрей Дмитриевич. Повышение энергоэффективности и эксплуатационной надежности электропривода в системах водоснабжения: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.09.03 / Лиходедов Андрей Дмитриевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина], 2017.- 161 с.

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Методы и способы управления производительностью насосных станций в системахгородского водоснабжения 12

1.1 Применение частотно-регулируемого привода для управления насосными агрегатами 12

1.2 Зависимость добавочных потерь от режима работы двигателя 14

1.3 Анализ эксплуатационных показателей асинхронных электродвигателей при питании от ПЧ 16

1.4 Последствия наличия в питающей электросети высших гармоник напряжения 19

Выводы 22

ГЛАВА 2 Анализ работы насосных станций с повышенной аварийностью технологического оборудования 24

2.1 О совершенствовании информационного обеспечения потребителей насосных агрегатов для систем городского водоснабжения. 24

2.2 Анализ работы насосных станций систем водоснабжения . 27

2.3 Электромагнитная совместимость в электроприводе насосов. 30

2.4 Алгоритмы ЧРП 33

Выводы 36

ГЛАВА 3 Разработка математической модели системы автоматического регулирования электродвигателя насосного агрегата 38

3.1 Разработка модели асинхронного электродвигателя, поддерживающей реализацию различных алгоритмов управления 39

3.2 Математическая модель АД с векторным управлением 43

3.3 Построение экспериментальной механической характеристики 50

3.4 Разработка модели насоса и системы трубопроводов 53

3.5 Влияние алгоритмов управления электродвигателем на его эксплуатационные характеристики 59

3.6 Разработка базы данных насосных агрегатов для систем городского водоснабжения 83

Выводы 88

ГЛАВА 4 Анализ эффективности использования пч на насосных агрегатах 90

4.1 Преимущества ЧРП при управлении насосными агрегатами 90

4.2 Недостатки ЧРП 91

4.3 Влияние эксплуатации электродвигателей при пониженных частотах напряжения на дополнительные потери электроэнергии 93

4.4 Анализ работы ПВНС в г. Петропавловске-Камчатском. Разработка алгоритма управления электродвигателями насосной станции при использовании РЧВ малой мкости. 99

4.5 Внедрение результатов проведенной работы 106

Выводы 109

Заключение 110

Список использованных литературных источников

Анализ эксплуатационных показателей асинхронных электродвигателей при питании от ПЧ
Анализ работы насосных станций систем водоснабжения
Математическая модель АД с векторным управлением
Влияние эксплуатации электродвигателей при пониженных частотах напряжения на дополнительные потери электроэнергии

Введение к работе

Актуальность исследований обусловлена массовым переоснащением и модернизацией электроприводов в системах водоснабжения на основе использования алгоритмов частотного регулирования и необходимостью поддержания эксплуатационных показателей надежности электродвигателей на высоком уровне.

Энергоэффективность и энергосбережение входят в список

приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ. В
диссертации рассматриваются алгоритмы и методы управления

электродвигателем, позволяющие снизить затраты при его использовании, а также сохранить высокий уровень эксплуатационных характеристик двигателя.

По разным источникам потенциал экономии энергопотребления насосными системами составляет около 60%. Созданию энергоэффективных и экономичных режимов работы насосных агрегатов до сих пор уделяется недостаточно внимания, что приводит к нерациональным затратам электроэнергии от 5 до 15% в процессе перекачки чистых и сточных вод.

Асинхронный двигатель (АД) является основным источником энергии
для всех видов насосов. Использование частотного преобразователя (ЧП)
позволяет снизить пусковой ток и осуществлять плавное регулирование
скорости вращения электродвигателя. Однако при этом возникают
добавочные потери от высших гармоник напряжения, происходит снижение
максимально допустимого электромагнитного момента двигателя из-за
повышенного нагрева, появляются пульсации момента, взаимодействие
магнитных полей вызывает дополнительный шум, снижается долговечность
изоляции, возникают подшипниковые токи, снижается к.п.д.

электродвигателя. Экономия на электроэнергии выливается в повышенную аварийность оборудования и может привести к еще большим финансовым тратам.

В таком случае возникает вопрос: устанавливать или не устанавливать
частотный преобразователь для управления электродвигателями.

Необходимо найти компромиссное решение, принятие которого позволит экономить электроэнергию и при этом не приведт к снижению эксплуатационных характеристик электродвигателей.

Кроме решения прямой задачи энергосбережения предложенные в работе алгоритмы решают задачу оптимального управления приводами насосов. В результате может быть получен дополнительный эффект экономии средств от повышения эксплуатационных характеристик технологического оборудования.

Степень разработанности темы. Исследованиями в области повышения энергетической эффективности и эксплуатационной наджности асинхронных электродвигателей занимались учные Гаинцев Ю.В., Лезнов Б.С., Браславский И.Я., Щека В.Н., Волков А.В., и др. Работы в данном

направлении проводились в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, в ООО "РИТЭК ИТЦ", в НПФ "Новомет-Пермь", в ОАО "РИМЕРА".

Общими недоработками исследований по данному направлению
являются отсутствие определения и обоснования границ диапазона
частотного регулирования асинхронных электродвигателей

общепромышленного назначения; отсутствие сравнительной оценки влияния
алгоритмов управления асинхронным электродвигателем на их

эксплуатационную наджность.

Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании
систем электропривода насосов путем разработки и внедрения алгоритма
энергоэффективного управления двигателями насосов в условиях

использования частотно-регулируемого привода (ЧРП), путем разработки
модели ЧРП, в которой учтены процессы, влияющие на деградацию
подшипникового узла, и построения компьютерных экспериментов для
сравнения показателей качества регулирования и оценки показателей
надежности при различных алгоритмах управления. В осуществлении
разработки программного обеспечения, позволяющего осуществлять выбор
насосных агрегатов различных производителей для систем городского

водоснабжения.

Для достижения поставленной цели в диссертации потребовалось решить следующие задачи:

провести анализ аварийности технологического оборудования насосных станций городской сети водоснабжения в условиях внедрения ЧРП;
выявить причину повышенной аварийности технологического оборудования городских насосных станций, касающихся проблем эксплуатации электроприводов;
разработать модель скалярного и векторного частотного управления электроприводом, в которой учтены процессы влияющие на деградацию подшипникового узла асинхронных двигателей;
произвести сравнение различных алгоритмов управления электроприводом с целью выявления их влияния на эксплуатационную надежность асинхронных электродвигателей;
разработать алгоритм управления электродвигателями насосной станции, оснащенной ЧРП, повышающий их эксплуатационные характеристики;
разработать и опробовать программное обеспечение, позволяющее обеспечить выбор насосных агрегатов для нужд городского водоснабжения с заданным набором критериев.

Объект исследования: Объектом исследования в работе является асинхронный электропривод центробежных и погружных насосов, предназначенных для работы в системах городского водоснабжения.

Методы исследования: Теоретические исследования выполнены с привлечением теории электропривода, теории автоматического управления, классической теории импульсных и цифровых систем, непрерывного и дискретного преобразований Лапласа, метода пространства состояний и

передаточных функций, метода имитационного моделирования с

использованием средств моделирования математической системы Matlab и инструментальных средств этой системы: программного пакета Simulink, пакета физического моделирования SimPowerSystems. Также используются физические методы исследования с применением лабораторных и действующих установок.

Достоверность полученных результатов подтверждается

корректностью исходных предположений и допущений, высокой степенью совпадения расчетных и экспериментальных результатов, использованием апробированных программных средств для математического моделирования процессов, протекающих в асинхронном электроприводе.

Научная новизна и практическая значимость представленной диссертационной работы заключается в следующем:

определены и подтверждены экспериментально зависимости общего уровня виброскорости асинхронного электродвигателя в составе электропривода насосной станции от величины люфта вала при скалярном и векторном управлении частотой вращения ротора;
разработана и экспериментально апробирована математическая модель электродвигателя, позволяющая проводить математические эксперименты, используя различные алгоритмы управления, сравнивать алгоритмы между собой, отслеживать электромагнитные процессы системы в переходных режимах работы двигателя с учетом люфта вала;
выполнена оценка влияния использования различных алгоритмов управления на интервал времени межремонтных промежутков;
разработана и опробована в промышленных условиях установка, функционирующая на основании алгоритма управления двигателями насосной водопроводной станции, запитанными от ПЧ, при постоянно изменяющейся нагрузке, учитывающего эксплуатационные характеристики общепромышленных электродвигателей.

Внедрение результатов работы: Разработанные математические
модели реализованы в среде MATLAB, обеспечивающей переход к
микропроцессорным реализациям алгоритмов управления. Их использование
позволяет проводить исследования работы электродвигателя при различных
способах регулирования и разнообразных функциях нагружения

асинхронного электропривода насосных агрегатов.

В МУП "Петропавловский водоканал" внедрена база данных насосных агрегатов для систем городского водоснабжения, а также внедрены алгоритм управления электродвигателями насосных агрегатов и журнал ремонтно-эксплуатационных работ.

Результаты проведенных экспериментов внедрены в учебный процесс филиала ДВФУ в г. Петропавловске-Камчатском для проведения занятий по дисциплине "Автоматизация и управление процессами теплогазоснабжения и вентиляции".

Для повысительной водопроводной насосной станции (ПВНС) №12
г. Петропавловск-Камчатский в соответствии с е графиком

водопотребления осуществлено оснащение насосными агрегатами, выбор которых выполнен с использованием внедрнного на предприятии программного обеспечения.

Область применения результатов: Основной областью применения результатов работы являются системы городского водоснабжения, использующие ЧРП. Результаты работы также используются в учебном процессе.

На защиту выносятся следующие научные положения:

результаты анализа дефектов асинхронных двигателей, выявленных в ходе внедрения и эксплуатации ЧРП на станциях городского водоснабжения, позволяющие сделать вывод о необходимости ограничения частотных диапазонов регулирования при применении серийных асинхронных двигателей;
модель электропривода, реализованная с помощью структурного моделирования в среде Simulink, позволяющая отслеживать изменение электромагнитных и механических величин в асинхронном электродвигателе для разных алгоритмов управления и сравнивать влияние алгоритмов управления на эксплуатационную наджность электродвигателя;
оценка влияния алгоритмов управления на время межремонтных промежутков асинхронного электродвигателя в условиях применения ЧРП;
алгоритм управления двигателями насосной водопроводной станции, регулируемыми ПЧ, при постоянно изменяющейся нагрузке, учитывающий эксплуатационные характеристики общепромышленных электродвигателей, повышающий энергоэффективность электропривода насосов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации

докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Радиооборудование и
электрооборудование судов» Камчатского государственного технического
университета, на заседании кафедры "Теоретической электротехники и
электрификации промышленности" Российского государственного

университета нефти и газа имени И. М. Губкина, а также на следующих конференциях:

Второй всероссийской научно-практической конференции «Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование», г. Петропавловск-Камчатский, 15–18 марта 2011 г.;

Международной научно-технической интернет-конференции «Информационные системы и технологии», г. Орл, 1 апреля–31 мая 2011 г.;

Четвртой всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь в современном мире: гражданский, творческий и инновационный потенциал» г. Старый Оскол, 2012;

Четвртой всероссийской научно-практической конференции «Наука, образование, инновации: пути развития», г. Петропавловск-Камчатский, 21-25 апреля 2013г.;

научно-технической конференции молодых учных «Электротехнические комплексы и системы в нефтяной и газовой промышленности», РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва 29-30 октября 2013г.;

научно-практической конференции «Наука и инновации: вопросы теории и практики», г. Петропавловск-Камчатский, 20 марта 2014 г;

Получен грант на проведение НИОКР, проводимые с 2011 г. в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса», финансируемого фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме «Разработка нечтко-модального регулятора для регулирования электроприводов насосных станций», регистрационный № 01201253668.

Публикации. По результатам проведенных исследований по теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них 2 работы в изданиях из перечня ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырх глав, заключения, списка использованных литературных источников из 86 наименований. Е содержание изложено на 161 странице машинописного текста, включая 38 рисунков, 5 таблиц, 6 приложений.

Анализ эксплуатационных показателей асинхронных электродвигателей при питании от ПЧ

ЧР асинхронных двигателей (АД) считается самым энергоэкономичным в сравнении с другими методами регулирования.[67] С помощью ЧР осуществляется непрерывное изменение производительности насосной станции (НС), результатом чего является снижение энергетических затрат на производство избыточного давления. При этом недостатком является высокая стоимость оборудования осуществляющего регулирование, особенно для технологического оборудования мощностью выше средней. При ЧР ухудшается электромагнитная совместимость с электросетью, происходит снижение эксплуатационных характеристик серийных электродвигателей, что требует принятия ряда дополнительных мер для повышения наджности системы. Этот способ регулирования становится все перспективней в связи со снижением цен на регулируемые электроприводы.[14] Широко используется ступенчатое регулирование вместе с частотно регулируемым приводом (ЧРП).[14] Из 2-3 насосов регулируемым приводом оснащается один насосный агрегат.[34]

По результатам исследований Фраунгоферского института (Fraunhofer Institut), потенциал экономии энергопотребления насосными системами составляет примерно 60%. С помощью применения способов регулирования насосных агрегатов, настраивая электропривод насоса на требуемую мощность, этот потенциал можно исчерпать.[82]

Выбор включенных в работу насосов и способа регулирования определяет потребляемую мощность для каждого электропривода насоса и для НС в целом. Критерием оптимизации является осуществление заданного режима работы НС, обеспечивающего необходимое давление и подачу при минимизированном потреблении электроэнергии, используя все доступные способы регулирования.[25]

При этом возникают следующие задачи: пересчт и идентификация реальных характеристик насосов, которые обычно не соответствуют паспортным и изменяются в результате износа; построение общей характеристики для группы насосов по определенным характеристикам отдельных насосов. Результатом решения задачи оптимизации для каждого момента времени будет выработка управляющего решения (включение или отключение насосных агрегатов, изменение скорости вращения рабочего колеса насоса), которое приведет к перемещению рабочей точки совокупной характеристики НС в положение с минимально достижимой в данный момент потребляемой электрической мощностью.[25]

На практике КПД насосных систем составляет в среднем 40%, при этом используемые на них насосы при работе в номинальном режиме имеют КПД выше 70%. [34] Основные энергетические потери связаны с использованием методов регулирования, неоправданно снижающих КПД системы (дросселирование)[32], с неправильным подбором насосов (выбор насосных агрегатов с большей мощностью, чем требуется для работы НС)[37, 49], с износом оборудования, с недостаточным уделением внимания характеристике системы водоснабжения (для системы с преобладанием динамической составляющей - потери на гидравлическое сопротивление -более оправдано применение ЧР, для системы с преобладанием статической составляющей более оправдано применение каскадного регулирования).[34]

Большинство применяемых методов регулирования приводит к значительному снижению КПД НС (дросселирование, регулирование перепуском, использование гидромуфт), ряд методов снижает эксплуатационные характеристики технологического оборудования (частотное регулирование, ступенчатое регулирование)[23]. Наиболее эффективным способом энергосбережения является сочетание нескольких методов регулирования. В результате нужно получить алгоритм управления, учитывающий факторы неоправданного снижения КПД системы электроприводов насосов, обеспечивающий высокий уровень эксплуатационных характеристик технологического оборудования. Добавочные потери - это потери, не связанные с образованием полезного вращающего момента. Потери, созданные высшими пространственными гармониками потока статора и ротора, следует относить к добавочным потерям, так как моменты, создаваемые высшими гармониками (генераторный для прямовращающихся и тормозной для обратновращающихся гармоник) в нормальных режимах, направлены против основного момента. [17]

В асинхронной машине высшие гармоники зависят от е конструктивных особенностей (расположение обмотки в пазах, наличие раскрытий пазов), технологических отклонений (эксцентриситет ротора, обрыв стержней), насыщения стали, несинусоидальности и несимметричности напряжения сети и так далее. [17] Теоретически добавочные потери пропорциональны амплитуде индукций высших гармоник в степени 1,75-2. Практическая проверка показала, что показатель зависимости добавочных потерь от напряжения и тока приблизительно равен 2. [17]

При нагреве машины, особенно закрытой обдуваемой, вследствие большего нагрева ротора воздушный зазор уменьшается, что является причиной роста добавочных потерь. Особенно заметна зависимость добавочных потерь от температуры в режиме обратного вращения, когда потери в роторе значительно больше, а потери в статоре значительно меньше, чем в нормальном режиме. [17]

При изменении частоты сети прямо пропорционально изменяется скорость машины и примерно также частота токов, наводимых высшими гармониками в статоре и роторе. Из-за больших значений токов гармоник на низких частотах питания возникают дополнительные потери в обмотках ротора. [22] Добавочные потери, возникшие от высших гармоник, изменяются пропорционально скорости ротора (частоте сети) в степени 1,5 (1,33-2). [17]

При несимметрии напряжения машину можно представить как два двигателя на одном валу, питаемых напряжениями обратной и прямой последовательностей. Так, если токи в двух фазах равны номинальному току, а в третьей на 20% выше, то ток прямой последовательности равен 112,3%, ток обратной последовательности - 14%. При этом добавочные потери возрастут на 28%, а потери в меди статора - на 15%. Возрастут также потери в меди и стали ротора. В результате повышение температуры обмотки статора увеличится примерно на 15%. При несимметрии напряжений (отклонения между наибольшим и средним фазным напряжениями) 2 и 3,5% превышение температуры обмотки статора возрастает на 8 и 25%. [17] При несимметрии напряжения 2% КПД электродвигателя будет снижено примерно на 2%, а при 4% снижение КПД будет около 5,5%. [11]

Анализ работы насосных станций систем водоснабжения

АД с короткозамкнутым ротором обладает определенными особенностями, обуславливающими его широкое распространение: - простота в изготовлении, а следовательно низкая начальная стоимость и высокая надежность; [46] - высокая эффективность вместе с низкими затратами на обслуживание приводят в итоге к низким общим эксплуатационным расходам; - возможность работы непосредственно от сети переменного тока. Значительной экономии электроэнергии можно достичь путем энергосбережения при работе электродвигателей. На электрические машины приходится большая доля потерь электроэнергии. При этом основные потери электрических машин зависят от частоты тока. Исследование работы электрических машин и анализ энергетических потерь возможно осуществить с помощью математического моделирования. [26]

В двигателях переменного тока вращающий момент и возбуждение зависит от статорной обмотки, в данных двигателях нет обмотки возбуждения. Скалярное управление не предусматривает возможности регулирования возбуждения, что возможно с помощью векторного управления. При векторном управлении асинхронной машиной управляют как двигателем постоянного тока (ДПТ) с независимым возбуждением. [68]

Математическое описание электромеханических процессов, происходящих при векторном управлении, описанные А.Б. Виноградовым и А.А.Усольцевым [13,69] позволяет построить модель, дающую достаточно хорошее приближение к процессам векторного регулирования для целей сравнения систем управления на основе различных регуляторов и алгоритмов управления.

Обозначим системы координат следующими индексами: a-b неподвижная (стп =0), ориентированная по оси фазы a обмотки статора; x-y - вращающаяся синхронно с ротором ( т" = а) и ориентированная по оси фазы а его обмотки; d-q - координатная система, вращающаяся синхронно с потокосцеплением ротора (е (лт) =щ) и ориентированная по его направлению, где со1 - частота тока статора; т-п - произвольно ориентированная, вращающаяся с произвольной скоростью ю .[69] Моделирование осуществим путм выбора одной из систем координат, относительно которой ориентируем вектор, определяющий электромагнитный момент. Проекция указанного вектора на другую ось координат будет равна нулю, также как и в уравнении для расчта электромагнитного момента, что приводит его к виду уравнения электромагнитного момента ДПТ, который пропорционален основному магнитному потоку и току якоря. [69]

Выберем вектор потокосцепления ротора для ориентации опорного вектора системы. Из теории следует, что ориентация по вектору потокосцепления приводит к большей перегрузочной способности электродвигателя. При данной ориентации опорного вектора, учитывая, что y/2q = 0, проекции вектора тока статора примут вид: 1и=х2{1 + рТ2;1ц = Х2Т2со2 (1) где/ы,/ 1д- проекции токов статора на оси системы координат (d,q) ьт индуктивность цепи намагничивания, T2=L2ir2 - электромагнитная постоянная времени ротора. Выразим потокосцепление и угловую частоту ротора: Lm Lm [1 + pT2) 4T2W2d (2) Из данных выражений видно, что с помощью проекции вектора тока статора /ы можно управлять потокосцеплением ротора и передаточная функция указанного канала описывается передаточной функцией апериодического звена с постоянной времени, равной постоянной времени ротора. А проекция тока Xq дает возможность независимого управления частотой ротора а .[69] Выражение для описания электромагнитного момента в данном случае выглядит: p L2 2d lq 2r2 2 3 hLW І J Ek (3) где L2 - индуктивность рассеяния цепи ротора, zp - число пар полюсов.

Как следует из выражений (1-3), электромагнитный момент определяется частотой ротора, потокосцеплением ротора, проекциями тока статора на оси координат. Из выражения (3) видно, что управлять моментом можно безинерционно, используя два входных параметра: частоту ротора и потокосцепление. Данные сигналы связаны с проекциями тока статора (2). Выражения для расчта проекций тока статора (1) реализованы в системе векторного управления в виде блока развязки координат (РК). Для вращения вектора тока статора в направлении противоположном вращению ротора служит ротатор. [69] Входными сигналами для устройства управления будут линейное напряжение сети и частота питающего напряжения, соответствующие потокосцеплению и частоте ротора. Угол поворота вектора тока статора вычисляется суммированием во времени значений угловой частоты тока статора, рассчитываемых из выражения: сох =Ozp ±0)2 =со±со2, (4) где - угловая частота вращения ротора Выражения (1-4) позволяет смоделировать модель блока РК в программном пакете Simulink (рисунок 2).

Математическая модель АД с векторным управлением

Для низковольтных электродвигателей первым по значимости источником отказов являются подшипниковые узлы. Состояние данного узла играет важную роль при расчете надежности двигателя в целом.[84]

На водопроводных насосных станциях установлены электродвигатели малой и средней мощности. Условия центровки вала не всегда отслеживаются во времени, что приводит к повышенной деградации подшипников и увеличению люфта. Проведенный в работе анализ журналов регистрации аварий и ремонтов насосных станций, а также статистические данные, опубликованные в научно-технической периодике [58], позволяют сделать вывод, что среди отказов по эксплуатационным причинам 70-80% неисправностей асинхронных двигателей связано с выходом из строя подшипников.

Поэтому в качестве основного фактора, влияющего на снижение эксплуатационной надежности электродвигателя, взят размер люфта, изменение которого приводит к росту общего уровня виброскорости, при этом виброскорость зависит от метода управления.

Величина вибрации оказывает значительное влияние на наджность электродвигателя. Рост частоты и амплитуды колебаний при увеличении виброскорости вызывает повреждение подшипников, задеванию ротора за статор, что приводит в итоге к поломке электродвигателя.[5]

Причиной случайных высокочастотных вибраций подшипника зачастую является его износ. Уровни подобных вибраций непредсказуемы, но можно провести измерения пиковых значений спектра и они окажутся прямо пропорциональными величине развития дефекта в данном узле.[5]

Для оценки влияния алгоритмов управления на эксплуатационную надежность электродвигателя были использованы научные результаты Кременчугского государственного университета имени Михаила Остроградского [4]. В них дана оценка влияния виброскорости на показатели надежности подшипникового узла.

Виброскорость имеет две составляющие: осевую и радиальную. Из общего фона виброскорости была выделена радиальная составляющая, вызванная суммарным действием нарушения посадки подшипников, перекоса и просадки подшипниковых щитов, что является следствием прогиба вала и наличия неравномерности воздушного зазора.

Далее приведены результаты модельных экспериментов, в результате которых получены графики размаха и среднеквадратического значения виброскорости для скалярного, векторного управления и пуска без управления (рисунки 16,17). Кривизна линий объясняется резонансными явлениями при изменении люфта.

В ходе экспериментов проводились измерения виброскорости с использованием уравнения (10) при варьировании значений величины люфта aл в системе уравнений (9). Фиксировалась амплитуда полученных значений виброскорости Vmax , и размах вибросокрости Vr = \Vmax \ - \Vmin. Расчт среднеквадратического значения амплитуды колебаний Ve проводился с использованием формулы: где nl и n2 - индексы начала и окончания выбранного периода сигнала. [12] Зависимость размаха виброскорости Vr от изменения радиальной составляющей люфта , установленная в работе [4], была использована при настройке модели люфта для нормирования коэффициентов.

Измерения приведены в радианах для удобства оценки. Пересчет в метрические единицы можно выполнить по известным формулам с учетом диаметра вала. Скалярное управление, как видно из графиков, немного снижает амплитудные значения виброскорости. Векторное управление позволяет удерживать виброскорость практически на одном уровне.

Для удобства соотнесения алгоритмов между собой выполнена аппроксимация и нормировка результатов: Ка О.Є.

Из графиков видно, что алгоритмы управления по разному оказывают влияние на общий вибрационный уровень электродвигателя. По углу наклона линий можно сказать, что при скалярном управлении рост виброскорости больше, чем при векторном.

Для того чтобы дать количественную характеристику влияния алгоритмов управления на виброскорость, были измерены углы наклона графиков в градусах. Без управления модельная характеристика показала угол на 7,5% больший по сравнению с научными результатами Кременчугского университета, что позволяет судить об адекватности модели. Векторное управление снижает уровень виброскорости по сравнению со скалярным на 4 %.

Влияние эксплуатации электродвигателей при пониженных частотах напряжения на дополнительные потери электроэнергии

Аварии, связанные с неисправностью подшипникового узла происходили на следующих ВНС: ВНС №6 (Н.агр. №1), ВНС №7 (Н.агр. №2), ВНС №12 (Н.агр. №2), ВНС №17 (Н.агр. №2), ВНС №21 (Н.агр. №4), ВНС №27 (Н.агр. №1 и №3). Для низковольтных электродвигателей первым по значимости источником отказов являются подшипниковые узлы. Состояние данного узла играет важную роль при расчете надежности двигателя в целом.[84]

Проведенный в работе анализ журналов регистрации аварий и ремонтов насосных станций, а также статистические данные, опубликованные в научно-технической периодике [58], позволяют сделать вывод, что среди отказов по эксплуатационным причинам 70-80% неисправностей асинхронных двигателей связано с выходом из строя подшипников.

Зависимость размаха виброскорости Vr от изменения радиальной составляющей люфта , установленная в работе [4], была использована при настройке модели люфта для нормирования коэффициентов.

По полученным значениям виброскорости с использованием данных о времени межремонтных промежутков электродвигателя из упомянутой научной статьи была дана оценка времени межремонтных промежутков для исследуемых алгоритмов.

Скалярное управление практически не дает прироста времени межремонтных промежутков. Алгоритм скалярного управления предполагает управление с последовательной коррекцией. При этом осуществляется косвенное управление током посредством напряжения. Моделирование работы электродвигателя с использованием закона управления для постоянного момента нагрузки и закона управления при вентиляторной нагрузке не выявило значительных преимуществ в повышении показателей надежности при том или ином законе, так как механизм воздействия на момент остается тем же.

Векторное управление при ориентации системы координат по потокосцеплению ротора позволяет управлять электромагнитным моментом изменением проекций тока статора на оси координат. При этом осуществляется регулирование амплитуд и фаз токов статора.

Из приведенного графика рассчитан прирост времени межремонтной эксплуатации, который возникает при использовании скалярного и векторного управления: k6в, о.е. 4 2 0 , рад Скалярно0е,0у0п0р5авление 0,001 Векторно0е,00у1п5равление Рисунок 20 - Прирост времени межремонтной эксплуатации (k в - коэффициент соотношения по сравнению с эксплуатацией электродвигателя при прямом пуске) для алгоритмов управления в зависимости от люфта Векторное управление дат лучшие результаты за счт возможности управления моментом используя несколько координат двигателя - частоту поля ротора 2 и потокосцепление 2d - что позволяет быстро реагировать на отклонения момента от установленной величины.

При люфте в 0,001 рад средства диагностики рекомендуют провести профилактику подшипникового узла, однако эта замена не всегда возможна сразу.

Другие факторы, помимо люфта, приводящие к дефектам подшипников не анализировались. Достоверность данной оценки подтверждается согласованием данных на модели с научными результатами Кременчугского университета, и адекватностью механических характеристик модели с расчтными характеристиками.