Исследование эффективности способа снижения потерь при испытаниях асинхронных машин с применением среды динамического моделирования SimInTech

В настоящее время выполняются многочисленные научные работы, направленные на расширение области применения и повышение эффективности эксплуатации асинхронных электроприводов за счет совершенствования их систем управления [1–6]. Повышение эффективности работы электроприводов обеспечивается разработкой и внедрением новых схем с модернизированной силовой или измерительной частью, а также принципов управления статическими преобразователями на основе более совершенных алгоритмов работы.

При осуществлении нагрузочных испытаний асинхронных двигателей им, как правило, необходимо обеспечить параметры питающего напряжения (действующее значение и частоту), соответствующие их номинальным значениям. Данные значения для параметров питающего напряжения генератора могут варьироваться.

Основная идея

В настоящей работе представлен способ снижения потерь в схеме взаимной нагрузки асинхронных машин (АМ). Полученное в данном случае повышение энергетической эффективности достигается за счет совместного регулирования частоты переменного напряжения и его действующего значения, подведенного к нагрузочной асинхронной АМ, по разработанному алгоритму.

Известные схемы взаимной нагрузки АМ можно классифицировать в зависимости от пути возврата электроэнергии от нагрузочной машины к испытуемому двигателю. Данная характеристика схем испытаний позволяет выделить два их типа:

– обмен электроэнергии по звену постоянного тока (ЗПТ) (рис. 1 а );

– обмен электроэнергии по сети переменного тока (рис. 1 б ) [7].

Приведенные схемы имеют идентичную силовую часть: асинхронный двигатель, который подвергается испытаниям (АД) 1, нагрузочная АМ 2, муфтовое соединение валов 3 и управляемый выпрямитель-инвертор 4 (инвертор напряжения).

На рис. 1 имеются следующие элементы, не являющиеся общими для приведенных схем: 5 – неуправляемый выпрямитель или управляемый выпрямитель-инвертор (возможен тот или иной вариант в зависимости от выбранной схемы), 6 – звено постоянного тока. На рис. 1 а питание испытуемого асинхронного двигателя 1 осуществляется за счет подачи на обмотку статора переменного трехфазного напряжения синусоидальной формы. На рис. 1 б соответствующее напряжение сформировано прямоугольными импульсами посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Фрагмент схем взаимной нагрузки АМ, состоящий из силовой части (элементы 1–4: имеют обозначения, соответствующие рис. 1), включающей общие элементы приведенных выше схем, изображен на рис. 2. Данный фрагмент схем дополнен следующими элементами, не относящимися

аб

Рис. 1. Фрагменты схем взаимной нагрузки АМ: а – обмен электроэнергией осуществлен по сети переменного тока; б – обмен электроэнергией осуществлен по ЗПТ

Fig. 1. Fragments of asynchronous machine mutual load schemes: а – the exchange of electricity was carried out over an alternating current network; б – the exchange of electricity is carried out via a direct current link

Рис. 2. Общий фрагмент схем испытания АМ

Fig. 2. A general fragment of asynchronous machine testing schemes к силовой части: системой управления 5, вычислителем частоты напряжения 6, электрическими датчиками 7 и датчиком частоты вращения 8.

В данной схеме питание испытуемого АД 1 осуществляется переменным трехфазным напряжением вне зависимости от формы данного напряжения (синусоидальная или сформированная посредством ШИМ). Силовой вход управляемого выпрямителя-инвертора 4 подключен к источнику постоянного напряжения (например, неуправляемому выпрямителю). Схема, приведенная на рис. 2, позволяет осуществить предлагаемый способ снижения потерь мощности в нагрузочной АМ.

Имитационное моделирование

С целью исследования эффективности способа снижения потерь разработана имитационная модель в среде динамического моделирования SimInTech, которая позволяет значительно упростить процесс моделирования сложных технических систем за счет сборки схемы из готовых блоков, имеющихся в «библиотеке». При этом у исследователя имеется возможность доступа к информации (математическим выражениям) по каждому блоку и их корректировки при необходимости.

Отображение блок-схемы имитационной модели в среде динамического моделирования SimInTech приведено на рис. 3.

Имитационная модель системы испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки в среде динамического моделирования SimInTech состоит из испытуемого асинхронного двигателя АД1 и нагрузочной асинхронной машины АД2, питающихся от преобразователей частоты (ПЧ). ПЧ получают питание от трансформатора T , подключенного к сети Е . ПЧ состоят из трехфазных шестипульсовых диодных выпрямителей UZ 1 и UZ 3 и управляемых выпрямителей-инверторов UZ 2 и UZ 4. В ЗПТ ПЧ включены емкости C 1 и C 2. Валы АД1 и АД2 имеют жесткую механическую связь. Механическая часть модели помимо механической связи валов состоит из блока, задающего момент инерции J , датчика вращательного движения D , блока, задающего трение, T c и заделки Z . Для связи валов асинхронных двигателей с остальными элементами механической части модели используются блоки M 1 и M 2.

Рис. 3. Блок-схема имитационной модели системы испытания АМ в среде динамического моделирования SimInTech

Fig. 3. Flowchart of the simulation model of the asynchronous machine testing system in the SimInTech dynamic modeling environment

Суть разработанного способа снижения потерь при испытаниях АМ заключается в следующем. На первом этапе перед нагружением асинхронных машин осуществляется их запуск. Запуск АД1 и АД2 осуществляют путем увеличения частоты и действующего значения питающих их напряжений до номинальных величин. После пуска АМ оказываются работающими в установившемся режиме без нагрузки на валу.

На следующем этапе производится нагружение испытуемого двигателя и вывод его на режим с номинальной нагрузкой на валу только за счет снижения частоты напряжения, питающего нагрузочную АМ.

Далее для поиска точки максимума мощности, вырабатываемой нагрузочной АМ, пошагово уменьшают частоту питающего его напряжения и подбирают такое действующее значение напряжения, при котором снова будет обеспечена номинальная нагрузка на валу. При этом будет наблюдаться рост мощности, вырабатываемой нагрузочной АМ. Снижение частоты питающего напряжения и подбор его действующего значения, обеспечивающего номинальную нагрузку на валу, многократно повторяют до достижения максимума вырабатываемой мощности. Судить о достижении точки максимума можно по приращению/убыли мощности нагрузочной АМ на каждом шаге уменьшения частоты напряжения.

Для представленного в данной работе исследования выбраны АМ типов IMM71B 4У2 и рДМ180 LB 40M5 со значительно различающимися значениями номинальной мощности – 0,37 и 30 кВт соответственно [8]. Основные номинальные параметры АМ и параметры их обмоток, определенные по методике, представленной в источнике [9], приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры асинхронных машин

Table 1. Parameters of asynchronous machines

Параметр	Тип машины
	IMM71B 4У2	рДМ180 LB 40M5
	Значение параметра
Номинальная мощность, кВт	0,37	30
Номинальный КПД, %	0,65	0,882
Число пар полюсов	2	2
Сопротивление статора, Ом	35,98	0,21
Сопротивление ротора, Ом	23,3	0,11
Индуктивность намагничивания, Гн	0,87	0,02
Индуктивность рассеяния статора, Гн	0,041	0,001
Индуктивность рассеяния ротора, Гн	0,041	0,001

АД с короткозамкнутым ротором типа рДМ180 LВ40М5 применяется в системе электропривода компрессоров электровоза постоянного тока 2ЭС10 [10].

Анализ результатов имитационного моделирования

В результате имитационного моделирования системы испытания с АМ типа IMM71B 4У2 получены зависимости максимальной вырабатываемой мощности нагрузочной АМ от параметров подведенного к нему напряжения, представленные на рис. 4.

Аналогичные зависимости, полученные в среде динамического моделирования SimInTech для системы испытаний с АМ типа рДМ180 LB 40M5, приведены на рис. 5.

Анализ представленных результатов, полученных в среде динамического моделирования SimInTech, показал, что потери мощности в нагрузочной АМ в рассмотренных схемах испытаний в значительной степени зависят от принципа регулирования преобразователем частоты и имеют потенциал к уменьшению.

Рис. 4. Зависимости максимальной мощности, вырабатываемой нагрузочной АМ (типа IMM71B 4У2), от параметров напряжения: а – действующего значения; б – частоты

Fig. 4. The dependence of the maximum power generated by the load asynchronous machine (type IMM71В4У2) on the voltage parameters: а – the current value; б – frequency

б

Рис. 5. Зависимости максимальной мощности, вырабатываемой нагрузочной АМ (типа рДМ180 LB 40M5), от параметров напряжения: а – действующего значения; б – частоты

Fig. 5. The dependence of the maximum power generated by the load asynchronous machine (type рДМ180

LB 40M5) on the voltage parameters: а – the current value; б – frequency

В соответствии с результатами моделирования, представленными на рис. 4, снижение потерь в нагрузочной АМ при достижении точки максимума по сравнению с потерями, которые будет иметь данная машина при регулировании по закону U / f = const, составляет около 10 %. Это соответствует снижению потерь установки из двух машин на 5 %

Анализ результатов моделирования, представленных на рис. 5, показал, что для АД большей мощности (типа рДМ180 LB 40M5) графики имеют принципиально такой же характер, что и для машин малой мощности. При этом за счет регулирования предложенным способом – 1069 – можно уменьшить потери в нагрузочной АМ, по сравнению со случаем регулирования по закону U/f = const, примерно на 22 %, потери в установке из двух машин снизятся соответственно на 12 %.

Вывод

Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод о достаточно высокой эффективности предложенного метода снижения потерь в системах, предназначенных для испытаний АМ. Практическая значимость данного эффекта заключается в снижении нагрузки на сеть, питающую электротехническую систему. Таким образом, данный эффект обеспечивает как снижение капитальных затрат на эксплуатацию подобных систем испытаний АМ, так и снижение требований к установленной мощности питающей сети при проектировании и внедрении новой системы испытаний АМ.