Разработка устройства динамической компенсации реактивной мощности электродвигателей, используемых в составе электроприводов секций дождевальной машины

Введение. Электродвигатели переменного тока характеризуются потреблением как активной, так и реактивной мощности, что выражается показателем cos φ (коэффициент мощности) [1]. Реактивная энергия затрачивается на создание магнитного поля. В источниках [2, 3]

приводятся способы компенсации реактивной мощности (РМ), включение которых никак не отражается на работе двигателей. Однако это дает эффекты снижения потерь электроэнергии в линиях и источнике, а также разгрузки линий и источника.

Р дв – активная мощность, Вт ; Q дв – реактивная мощность, кВар Рисунок 1 – Осцилограмма пускового режима электродвигателя 550 Вт без нагрузки в программе MatLab Simulink

В электрифицированных дождевальных машинах (ДМ) применяются устройства компенсации как для электродвигателей, которые используются в составе электроприводов секций дождевальной машины, так и для устройств коммутации (магнитных пускателей) [4, 5]. Однако эти устройства рассчитаны на номинальные режимы работы электроприемников. В динамическом режиме при пуске или других коммутационных действиях автоматики этих устройств не достаточно. Анализ рабочего процесса ДМ показывает, что число пусков на один цикл работы электропривода крайней секции, по которому задается скорость перемещения, достигает 5–7 раз при повторности включения ПВ = 50% и 8–11 раз при ПВ = 80% [6]. При этом динамический режим пуска электродвигателя (ЭД) описывается так, что в момент подачи напряжения возникает пусковой ток, в 5–7 раз превышающий номинальный [7], и в течение короткого промежутка времени постепенно снижается (рисунок 1).

Обычно пусковыми процессами можно пренебречь, когда электродвигатель работает в продолжительном режиме. Однако для ДМ динамический режим запусков ЭД выполняется часто 2–4 тысячи раз за 12 часов работы, пренебрегая которым ускоряется износ контактных соединений, снижается сопротивление изоляции и повышается потребление энергии [8]. Для источника энергии ДМ переносного дизельного генератора такой режим работы является самым неблагоприятным.

Исключить частые пуски электроприводов секций дождевальной машины нельзя, так как перемещение машины подвержено действию различных факторов и основано на действии приборов синхронизации движения в линию (ПСЛ). Поэтому улучшить показатели (потребление энергии и cos φ) пуска можно путем воздействия на процесс пуска. Это можно выполнить с помощью включения устройства компенсации реактивной мощности. Однако по рисунку 1 видно, что значение реактивной мощности, вызванной действием реактивного тока электродвигателя, переменное в течение пускового промежутка времени.

На основе вышеизложенного в работе ставится цель – разработать устройство динамической компенсации реактивной мощности электродвигателей, используемых в составе электроприводов секций дождевальной машины, а также оценить снижение потребления энергии и повышение КПД пуска при различной продолжительности пускового режима электропривода.

Для достижения поставленной цели воспользуемся как эмпирическими: наблюдение, эксперимент, измерение, описание; так и теоретическими методами научного исследования : анализ, синтез и моделирование.

Результаты исследований и их обсуждение. Для динамического режима в качестве компенсирующего устройства можно использовать полярные электролитические конденсаторы. Они чувствительны к приложенному напряжению и выпускаются на напряжение 5–550 В постоянного тока [9]. Использование полярных электролитических конденсаторов в цепях переменного тока возможно только в специальных схемах [10] и ограничено не действующим значением напряжения, а его амплитудным значением, которое в 2 раз больше действующего. С учетом этого следует собирать схему на полярных конденсаторах с запасом по напряжению. Этого можно добиться при последовательном соединении конденсаторов в батарею.

VT 1-3 – тиристорный пускатель; С 2-7 – полярные электролитические конденсаторы;

VD 1-8 – выпрямительные диоды; R 1-2 ; С 1 – балластные сопротивления схемы; ОУ – компаратор Рисунок 2 – Схема включения устройства динамической компенсации реактивной мощности с помощью тиристорного пускателя

Рассмотрим несколько схем включения устройства динамической компенсации. Тиристорная схема включения (рисунок 2) характеризуется сложной настройкой чувствительного элемента – так называемого датчика пуска, в роли которого может выступать маломощный понижающий трансформатор Т1. Выводы трансформатора подключены к двум любым фазам, питающим электродвигатель. При номи- нальном значении тока в фазах вся мощность во вторичной обмотке трансформатора Т1 преобразуется в резисторе с сопротивлением R1. При пусковом токе двигателя компаратором формируется импульс выходного напряжения на сопротивлениях RC и RD, которые рассчитаны на падение напряжения, позволяющее подать сигнал на управляемый вывод тиристорного пускателя [11].

Также рассмотрим упрощенную схему включения устройства динамической компенсации реактивной мощности, подключенную через реле времени (рисунок 3).

При подаче напряжения на реле времени с задержкой на отключение, например, при включении электродвигателя, реле питает катушку контактора конденсаторной батареи. За-

тем после пускового промежутка времени реле размыкает свой контакт питания катушки контактора и конденсаторная батарея отключается.

КМ1 , КМ1.1-1.3 – катушка и контакты магнитного пускателя; КТ1, КТ1.1 – реле времени и его размыкающий контакт Рисунок 3 – Схема включения устройства динамической компенсации реактивной мощности с помощью реле времени с задержкой отсечки по установленному значению

Представленные схемы включения динамической компенсации обладают разными свойствами энергопотребления. Элементы схем имеют различный уровень потребления электроэнергии, и в целом значения потребления электроэнергии тиристорной схемы WVT можно уравнять с потреблением релейной схемы WKT через коэффициент

^WKT (2)

РМ - п ,

Пб где WПб – затраты энергии пусковых режимов без устройства компенсации, кВт·ч.

Однако предварительно и однозначно оценить величину снижения затрат энергии на пуск нельзя с учетом тех соображений, что потребление реактивной мощности электродвигателем не однородно в пусковой промежуток времени. В зависимости от величины расчетной емкости по пусковому току и продолжительно- сти включения компенсирующего устройства вместе с компенсацией может наступить явление перекомпенсации (рисунок 4).

По рисунку видно, что в некоторой области графика при включении расчетной емкости наступает явление перекомпенсации. Это вызывает дополнительное потребление реактивной энергии. С конденсаторами ближайшей стандартной емкости С УКп-1 и С УКп-2 перекомпен-сация частично исключается. Причем если регулировать продолжительность включения от t п-1 до t п1 действия конденсаторов, то переком-пенсацию также можно частично исключить. Поэтому для оценки доли снижения потребления энергии на пуск и в целом на работу электропривода секции дождевальной машины требуется выполнение эксперимента с варьированием емкости и продолжительности включения конденсаторной батареи.

Для проведения эксперимента воспользуемся теорией математического планирования эксперимента [12] и рассмотрим схему включения компенсирующего устройства через управляемое реле времени, в котором можно регулировать продолжительность отсечки (срабатывания).

Рисунок 4 – Потребление и компенсация реактивной мощности при включении электродвигателя с конденсаторной батареей:

а – расчетной емкости с продолжительностью включения t п ; б – емкости ближайшей к расчетной, выпускаемой промышленностью на одну ступень ниже с продолжительностью включения t п ; в – емкости ближайшей к расчетной, выпускаемой промышленностью на две ступени ниже с продолжительностью включения t п0 ; г – емкости ближайшей к расчетной, выпускаемой промышленностью, на одну ступень ниже с продолжительностью включения t п0

г

Соберем стенд для проверки параметров компенсирующего устройства и снижения потребления реактивной энергии в момент пуска. Принципиальная электрическая схема стенда представлена на рисунке 5, где указаны электродвигатель переменного трехфазного тока, компенсирующее устройство и приборы учета и контроля параметров.

Стенд запитан от источника трехфазного переменного тока, фаз АВС, через автоматический выключатель QF1. Электродвигатель М и устройство динамической компенсации запускаются в работу нажатием кнопки пуск SB1, замыкая цепи питания катушек пускателей KM2 и KM1. Затем реле времени KТ1 отключает устройство компенсации через промежуток времени tп. С помощью приборов рА, рV, pt измеряются параметры, соответственно, тока, напряжения потребителей и температуры конденсаторной батареи.

Измерительные трансформаторы тока ТТ в схеме измеряют значения токов для счетчика pW , который фиксирует потребление из сети активной, реактивной и полной мощности. На основе данной схемы, расчетов емкости конденсаторных батарей, выбора конденсаторов и диодов, магнитных пускателей, приборов, реле времени и других устройств собран лабораторный стенд. Внешний вид стенда для измерения параметров представлен на рисунке 6.

Рисунок 5 – Электрическая принципиальная схема лабораторного стенда

1 – ноутбук для фиксации показаний счетчика; 2 – токовые клещи; 3 – трансформаторы тока;

4 – счетчик электрической энергии; 5 – кнопки пуск/стоп; 6 – магнитный пускатель электродвигателя; 7 – вольтметр;

12 – электропривод с электродвигателем переменного тока

Маркировка и основные технические устройства, а также приборы измерения параметров представлены в таблице 1.

В результате выполнения опытов были получены данные потребления активной и реактивной мощности в период пуска.

В эксперименте принято положение, что напряжение на зажимах электродвигателя и устройства динамической компенсации реактивной мощности не изменяется и равно номинальному значению, так как данная схема подключена к сети на незначительном расстоянии от источника (l = 15 м, трансформатор 10/0,4 630 кВА). Однако в дальнейших исследованиях следует учитывать варьирование напряжения, так как протяженность питающей линии ДМ достигает 500–1000 м, что приводит к снижению напряжения в конце линии. Также пуск электродвигателя одной секции ДМ может совпадать с пуском электродвигателя другой секции, что приводит к провалу напряжения.

Наименование оборудования	Марка (маркировка)	Основные технические характеристики
Электропривод с электродвигателем переменного тока	UMC 3.5 c PSG35-40	Номинальное напряжение 380 В Номинальный ток 1,5 А Кратность пускового тока k I = 7 Частота вращения 1750/1450 об./мин
Магнитный пускатель (2 шт.)	IEK КМИ 22510	Напряжение катушки 220 В Номинальный ток гл.контактов 25 А Потребляемая мощность 10 ВА
Кнопки старт/стоп	Кнопка двойная TDM MPD2-11Y	Номинальное напряжение 220 В Номинальный ток 2,5 А
Вольтметр	АКИП Multimetr GDM 354A	Предел измерения напряжения АС 200–1000 В (2,5%)
Амперметр (2 шт.)	PEAK HOLD 260D CLAMP METER	Предел измерения тока АC 0–20 А (2,5%)
Реле времени	ЭКМ РВО-15	Напряжение катушки АСDC24/ АС220 В Диапазон регулирования времени 0,1–99 с (5%). Потребляемая мощность 1 ВА
Автоматический выключатель	IEK ВА47-29 3Р С25	Номинальный ток 25 А Токовременная характеристика С
Электролитические конденсаторы (24 шт.)	Jamicon TX	Номинальное напряжение 450 B Максимальная температура T 105 °С C 68 мкФ – 6 шт. C 47 мкФ – 6 шт. Номинальное напряжение 400 B Максимальная температура T 105 ° С C 100 мкФ – 12 шт. ( С УК-1 = 31 мкФ ; С УК+1 = 50 мкФ )
Выпрямительный диод	Р-600 10А10	Номинальное напряжение 1000 B , Максимальный ток 10 A Максимальная температура 150 °С
Мультиметр с термопарой	Тестер MY-64	Диапазон измерения температуры °С -20…+1000 ( К )
Текстолитовая плата	А-171 2,0	Толщина 2,0 мм Размеры 150×100 мм
Трансформатор тока (3 шт.)	Т-0,66	Потребляемая мощность 5 ВА Класс точности 0,5
Счетчик электроэнергии	Меркурий 230 ART-01 RN	Номинальное напряжение 3×230 В Номинальный ток 2,5–7,5 А Класс точности 1,0

Матрица результатов эксперимента с двумя факторами представлена в таблице 2. Результаты потребления энергии и повышение cos φ в диапазоне действия факторов с кодами [-1; 0; +1] в полной мере характеризуют отклик данной зависимости.

Таблица 2 - Матрица результатов плана двухфакторного эксперимента

№ опыта	Код фактора		Значение фактора		Результаты эксперимента				ΔW РМ-п-расч.	AW pac4. — ДW эср	со о ^	S со о ^1
	х 1	х 2	С ук , мкФ	t n , С	ΔW РМ-пЭ1	ΔW РМ-пЭ2	ΔW РМ-пЭ3	ΔW РМ-п-сред
1	—	—	31	2	44,2%	39,8%	42,0%	42,0%	43,5%	-1,49%	10,1%	2,1%
2	+	—	50	2	77,7%	74,7%	88,8%	80,4%	70,1%	10,25%	62,0%	6,3%
3	—	+	31	3	48,3%	45,1%	42,7%	45,4%	43,5%	1,88%	14,5%	2,1%
4	+	+	50	3	80,0%	69,9%	74,3%	74,7%	70,1%	4,59%	6,8%	6,3%
5	0	0	40,5	2,5	62,2%	61,6%	57,6%	60,5%	56,8%	3,65%	9,2%	3,6%
6	0	+	40,5	3	63,2%	60,2%	63,4%	62,3%	56,8%	5,45%	4,0%	3,6%
7	0	—	40,5	2	64,0%	73,8%	76,6%	71,5%	56,8%	14,65%	44,8%	3,6%
8	+	0	50	2,5	66,7%	74,2%	71,9%	70,9%	70,1%	0,79%	50,4%	6,3%
9	—	0	31	2,5	40,1%	44,8%	49,2%	44,7%	43,5%	1,21%	17,7%	2,1%

Исследуемая зависимость снижения потребления электроэнергии на пуск электродвигателя с

Рассчитав значения коэффициентов квадратичного полинома, получим уравнение вида y = 0,62 + 0,15x. -0,019x7 -0,050x2 + 0,040x22 -0,022x,x7. 1             2             1             2             12

Незначимых коэффициентов регрессии нет, согласно данным [13]. Полученное уравнение регрессии квадратичного полинома адекватно описывает экспериментальные исследования зависимости снижения энергозатрат пускового режима в пределах 7%-го расхождения расчетных и экспериментальных данных, а выполнение условия по критерию Фишера с оценкой доверительного интервала 95% свидетельствует о достаточном исследовании данного процесса компенсации реактивной мощности в момент пуска.

На основе расчета множественного коэффициента детерминации снижения потребления энергии в момент пуска по совокупности двух факторов R 2^wpM-n = 0,29 можно сделать вывод о неколлениарности факторов полученной математической модели [12,13].

Изобразим графически поверхность отклика показателя оптимальности уравнения регрессии. Задаваясь значениями факторов ( С ук , t n ), получим значения показателя снижения затрат энергии (рисунок 7).

Рисунок 7 - Отклик ДW pм-n = f ( С ук , t n )

Для этого переведем полином (4) в физические значения факторов:

С -40 5      / -2 5      (С — 40 5^

A W    = 0,62 + 0,15 -УК!-----,- - 0,019 -п*----,- - 0,050 -УК^-----,-

РМ - п                   9,5               0,5           V 9,5    )

+

+ 0,004

t пi

-

2,5

-

к

0,5

0,022

к

-УК - 40,5 )Г t^

9,5 Л

-

2,5 )

0,5   7

Анализируя полученный график, можно сделать вывод, что компенсация в динамическом режиме в максимальном виде достигается при емкости конденсатора С УК-опт = 50 мкФ и продолжительности включения реле не более t п-опт = 2,0 с, что способствует снижению энергетических затрат на пуск до ΔW РМ-п-max = 84,1%. Это означает, что пусковой режим электродвигателя переменного тока, установленного в составе электропривода секции дождевальной машины, имеет продолжительность 2–3 с.

Заключение . На основе данных исследований можно сделать следующий вывод. Предлагаемое устройство динамической компенсации реактивной мощности с конденсаторной батареей из полярных электролитических конденсаторов работоспособно в пусковых режимах работы электродвигателей, установленных в составе электропривода секций дождевальной машины. На основе данных эксперимента наибольший эффект снижения потребления электроэнергии на 84,1% и повышения cos φ на 63,6% для электродвигателя мощностью 550 Вт достигается при емкости конденсаторной батареи 50 мкФ и продолжительности их включения не более 2 с . Для одной секции дождевальной машины применение данного устройства при номинальном напряжении на зажимах электродвигателя с числом пусков 100–4000 раз за 12-часовой режим работы позволяет снизить потребление электроэнергии соответственно на 0,1–36,2%.