Сравнение режимов работы двух разных серий асинхронных двигателей в условиях несимметрии напряжений
Автор: Суворов И.Ф., Романова В.В., Хромов С.В.
Журнал: Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления @vestnik-esstu
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 6 (63), 2016 года.
Бесплатный доступ
С помощью компьютерных имитационных экспериментов, программного комплекса Matlab и пакета Simulink исследовано влияние несимметрии междуфазных напряжений на режимы работы асинхронных двигателей. Актуальность работы обусловлена необходимостью проведения сравнительного анализа влияния несимметрии напряжений на асинхронные двигатели разных типов и мощностей. Для исследования были смоделированы шесть двигателей, трех различных мощностей (7,5, 75, 200 кВт), двух разных серий (4А, АИ). Величину несиметрии системы питающих напряжений изменяли от 0 до 5%. Нагрузка на валу электродвигателя изменялась от 0 до 120% от номинальной нагрузки электродвигателя. Проводилось сравнение зависимостей фазных токов от коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности k2U асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором серии 4А и АИ. Результаты получены в виде таблиц и графиков зависимостей исследуемых величин от k2U. Представлены соответствующие выводы. Проведены анализ и обсуждение полученных результатов сравнения зависимостей, даны рекомендации по эксплуатации асинхронных двигателей серии 4А и АИ в условиях несимметрии питающих напряжений.
Имитационное моделирование в среде matlab/simulink, асинхронный двигатель, режимы работы асинхронного двигателя, несимметрия напряжений
Короткий адрес: https://sciup.org/142143291
IDR: 142143291
The comparison of two different series of asyncronous motors under conditions of voltage assymetry
The paper considers the unbalance effect of phase-to-phase voltages in the operation modes of induction motors with the help of computer simulations, using the Matlab and Simulink packages. The relevance of the work is caused by the necessity for comparative analysis of voltage unbalance influence on induction motors of different types and capacities. Six engines of three different capacities (7,5 kW, 75 kW, 200 kW) and two different series (4A, AI) were modeled for the study. The size of asymmetry system of supply voltages was changed from 0% to 5%. The load on the motor shaft was changed from 0% to 120% of the rated load of the motor. The authors compared the dependences of the phase currents from the coefficient of voltage unbalance on the reverse sequence of k2U of asynchronous engines with a short-circuited rotor of 4A and AI series. The results are obtained in the form of tables and graphs of dependences of the investigated variables from k2U. The article presents appropriate conclusions. The authors analyze the results of dependencies ’ comparison and give recommendations for operation of asynchronous motors of 4A and AI series in terms of the asymmetry of supply voltages.
Текст научной статьи Сравнение режимов работы двух разных серий асинхронных двигателей в условиях несимметрии напряжений
Одним из основных вопросов, решаемых как на стадии проектирования асинхронных двигателей (АД), так и на стадии эксплуатации в системах электроснабжения любых объектов, является вопрос о снижении несимметрии напряжений в электрических сетях.
Несимметрия напряжений - довольно частое явление в электрических сетях различного класса напряжений и один из показателей, по которому оценивается качество электроэнергии (КЭЭ). Несимметрия напряжений существенно влияет на потребителей электроэнергии, в том числе на саму питающую сеть и особенно негативно сказывается на процессе работы и срок службы асинхронных двигателей [1].
Актуальность данной проблемы подтверждается множеством исследований на подобную тему и значительным количеством повреждений потребителей электрической энергии, находящихся в эксплуатации (особенно в Забайкальском крае и дальневосточных регионах) [2].
Как известно, несимметрию напряжений в соответствии с ГОСТ 32144-2013 [3] характеризуют следующие показатели качества электрической энергии:
-
- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности k 2u , %;
-
- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности k ou , %.
Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии по обратной и нулевой последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2 и 4 % соответственно.
Значение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности k 2 u , определяется в процентах по выражению:
k2u = (U12/U11) *100%, где U12 и U11 - соответственно напряжения обратной и прямой последовательностей основной частоты трехфазной системы напряжений.
Для трехфазных электроприемников, в частности таких, как АД, особое значение имеет напряжение обратной последовательности по причине меньшего сопротивления обратной последовательности по сравнению с прямой последовательностью [1].
Как правило, АД выпускаются большими сериями, наиболее распространенными из которых являются машины общего назначения - серии 4А, АИ. Серии 4А, АИ являются массовыми сериями асинхронных двигателей, рассчитанными на применение в различных областях промышленности.
Основной задачей работы является исследование асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, наиболее распространенных серий 4А и АИ с целью анализа влияния несимметрии междуфазных напряжений на режимы работы АД, в зависимости от серии двигателя.
Чтобы получить более полную картину влияния несимметрии на АД, необходимо провести сравнение зависимостей фазных токов АД от коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности k 2U.
Построение имитационной модели
Исследование режимов работы АД эффективно проводить с помощью компьютерного моделирования на виртуальной модели, реализованной в наглядном и эффективном средстве имитационного моделирования Simulink интерактивной среды программирования Matlab , с использованием Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя [4-8].
В качестве объекта исследования выбраны асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии 4А: 4A132S4y3 с Рн= 7,5 кВт; 4А250S4У3 с Рн= 75 кВт; 4А315М4У3 с Рн= 200 кВт и серии АИ: АИР132S4 с Рн= 7,5 кВт; АИР250S4 с Рн= 75 кВт; АИР355М6 с Рн= 200 кВт со следующими номинальными параметрами: (табл. 1) [9, 10].
Авторами статьи разработана имитационная модель (рис. 1), которая позволяет проводить анализ режимов работы АД, кроме того, с помощью данной модели появляется возможность исследования переходных процессов в асинхронном двигателе, снятия рабочих и искусственных механических характеристик, напряжения, токов и частоты питающей сети [11].
Компьютерное моделирование прямого пуска АД типа 4А, АИР проведено при питании трехфазным напряжением 380 В с частотой 50 Гц.
Таблица 1
Технические данные трехфазных асинхронных двигателей
|
Мошность двигателя, Р,кВт |
Марка двигателя |
Номинальная частота вращения, n, об./мин |
η |
соsφ |
Кратность пускового момента, Kмп |
Кратность пускового тока, Кп |
|
7,5 |
4A132S4У3 |
1500 |
87,5 |
0,86 |
2,2 |
7,5 |
|
75 |
4А250S4У3 |
1500 |
93 |
0,9 |
1,2 |
7 |
|
200 |
4А315М4У3 |
1500 |
94 |
0,92 |
1,3 |
6 |
|
7,5 |
АИР132S4 |
1500 |
87,5 |
0,86 |
2 |
7,5 |
|
75 |
АИР250S4 |
1500 |
94 |
0,88 |
1,7 |
7,5 |
|
200 |
АИР355M6 |
1500 |
94,5 |
0,9 |
1,6 |
7 |
Схема моделирования для исследования режимов работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, сформированная средствами имитационного моделирования в среде Matlab Simulink, представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема моделирования, реализованная в среде Matlab Simulink
С использованием разработанной модели были исследованы режимы работы АД с короткозамкнутым ротором с учетом нижеприведенных параметров:
– величина нагрузки на валу двигателя изменялась от 0 до 120 % с шагом 20, при различных значениях k 2u , величина коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности – от 0 до 5% с шагом в 1%.
Результаты исследования и их обсуждение
На основании результатов моделирования получены зависимости фазных токов от k 2u .
Основной вид изменения токов в фазах АД при различных значениях k 2u и различных значениях нагрузки на валу двигателя представлен на рисунках 2-10.
170,00%
160,00%
150,00%
140,00%
130,00%
120,00%
110,00%
100,00%
90,00%
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
Рисунок 2 – Зависимость тока в фазе «А» АД серии 4А, АИ с Р = 7,5 кВт от k 2u
Рисунок 3 – Зависимость тока в фазе «В» АД серии 4А, АИ с Р = 7,5 кВт от k 2u
130,00%
120,00%
110,00%
100,00%
90,00%
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
K2U, %
0% АИ
20% АИ
40% АИ
60% АИ
80% АИ
100% АИ
120% АИ
0% 4А
20% 4А
40% 4А
60% 4А
80% 4А
100% 4А
120% 4А
Рисунок 4 – Зависимость тока в фазе «С» АД серии 4А, АИ с Р = 7,5 кВт от k 2u
S © в
ее
й
Д
190,00%
180,00%
170,00%
160,00%
150,00%
140,00%
130,00%
120,00%
110,00%
100,00%
90,00%
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
Рисунок 5 – Зависимость тока в фазе «А» АД серии 4А, АИ с Р = 75 кВт от k 2u
Рисунок 6 – Зависимость тока в фазе «В» АД серии 4А, АИ с Р = 75 кВт от k 2u
0% АИ
20% АИ
40% АИ
60% АИ
80% АИ
100% АИ
120% АИ
0% 4А
20% 4А
40% 4А
60% 4А
80% 4А
100% 4А
120% 4А
Рисунок 7 – Зависимость тока в фазе «С» АД серии 4А, АИ с Р = 75 кВт от k 2u
180,00%
170,00%
160,00%
150,00%
140,00%
130,00%
120,00%
110,00%
100,00%
90,00%
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
K2U, %
0% АИ
20% АИ
40% АИ
60% АИ
80% АИ
100% АИ
120% АИ
0% 4А
20% 4А
40% 4А
60% 4А
80% 4А
100% 4А
120% 4А
Рисунок 8 – Зависимость тока в фазе «А» АД серии 4А, АИ с Р = 200 кВт от k 2u
Ток в фазе от Iном, %
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
K2U, %
0% АИ
20% АИ
40% АИ
60% АИ
80% АИ
100% АИ
120% АИ
0% 4А
20% 4А
40% 4А
60% 4А
80% 4А
100% 4А
120% 4А
Рисунок 9 – Зависимость тока в фазе «В» АД серии 4А, АИ с Р = 200 кВт от k 2u
130,00%
120,00%
110,00%
100,00%
90,00%
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
K2U, %
0% АИ
20% АИ
40% АИ
60% АИ
80% АИ
100% АИ
120% АИ
0% 4А
20% 4А
40% 4А
60% 4А
80% 4А
100% 4А
120% 4А
Рисунок 10 – Зависимость тока в фазе «С» АД серии 4А, АИ с Р = 200 кВт от k 2u
В процессе имитационного моделирования получили несколько аналитических зависимостей фазных токов от k 2u для АД серии 4А, АИ.
Для интерпретации полученных результатов сравним токи в фазах с номинальным током АД. Наибольшее расхождение токов наблюдается между двумя сериями АД, на холостом ходу. Но наибольший интерес представляют токи при полной загрузке двигателя. Так, при значении k 2u = 4- и 100%-ной загрузке двигателя разница между токами в наиболее загруженной фазе составила для Р = 200 кВт 1%, для АД Р = 75 кВт 11% и для АД Р = 7,5 кВт 7%.
Наблюдая за динамикой изменения тока в наиболее загруженной фазе, выявили, что при k 2u = 2% и загрузке двигателя, равной 80%, АД Р = 75 кВт и Р = 200 кВт обеих серий имеют превышение фазного тока над номинальным. Для АД Р = 7,5 кВт серии АИ превышение фазного тока происходит при k 2u = 4% , а для серии 4А - при k 2u = 3%.
Сравнивая зависимости фазных токов от коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности k 2U двух серий двигателей (см. рис. 2-10), можно сделать следующий вывод: общий вид и направление зависимостей одинаковы, что свидетельствует о схожем влиянии несимметрии напряжений на АД. Однако, если говорить о количественном выражении, расхождение в величинах токов может быть более, чем 10%. Так, например, при исследовании двигателей Р = 75 кВт с 80% загрузкой и k 2u = 4% разница в фазе «А» составляет 10%, при k 2u = 5% - 16%. Это свидетельствует о том, что двигатели имеют не только отличный друг от друга диапазон допустимых величин по k 2u , но и не всегда соответствующий нормируемым ГОСТом значениям. Следовательно, при эксплуатации двигателей в местах с неудовлетворительным КЭЭ можно регулировать питающее напряжение, руководствуясь не ГОСТом на качество электроэнергии, а режимом работы двигателей, что свидетельствует о целесообразности применения данного типа исследований, при эксплуатации двигателей [12-17].
При проектировании СЭС представленное расхождение не будет играть большой роли, так как полученные результаты исследований показывают необходимость применения устройств управляющих КЭЭ для обеих серий АД. Однако, как и в случае с непосредственной эксплуатацией, проектируемые устройства должны уметь управлять КЭЭ в соответствии с режимами работы АД.
Для эффективного практического применения устройств управления КЭЭ необходимы непрерывный мониторинг и анализ КЭЭ в сети предприятий [18].
Заключение
Результаты моделирования показали, что искажение симметрии питания, в частности превышение по k 2u , оказывает существенное влияние на работу АД, что может привести к сокращению срока службы и к выходу из строя двигателя.
Полученные результаты исследования для двух разных серий АД показали, что алгоритмы управления качеством электрической энергии в местах установки средств нормализации ПКЭ будут различаться незначительно.
Следует отметить, что полученные результаты будут востребованы как при проектировании систем электроснабжения, так и при разработке систем управления качеством электроэнергии в зависимости от состава электропотребителей.
Результаты исследования показывают необходимость применения средств управления КЭЭ совместно с непрерывным мониторингом и контролем КЭЭ.
Список литературы Сравнение режимов работы двух разных серий асинхронных двигателей в условиях несимметрии напряжений
- Суднова В.В. Качество электрической энергии. -М.: ЗАО «Энергосервис», 2000. -80 с.
- Романова В.В., Хромов С.В. Исследование несимметрии напряжений в узлах присоединения тяговых подстанций к питающей сети на участках Забайкальской железной дороги//Сб. ст. всерос. конф. «Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление», 1-3 сентября 2015 г., Иркутск, Россия. -Иркутск: Ид-во ИСЭМ СО РАН, 2015. -С. 195-203.
- ГОСТ 32144 -2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. -М.: Стандартинформ, 2014. -19 с.
- Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. -М.: Высшая школа, 2001. -327 с.
- Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А. Электрические машины: лабораторные работы на ПК. -СПб.: Корона-принт, 2003. -256 с.
- Материалы по продуктам MATLAB & Toolboxes . -URL: http://matlab.exponenta.ru/(дата обращения 11.06.2016г).
- Радин В.И., Брускин Д.Э., Зорохович А.Е. Электрические машины: асинхронные машины/под ред. И.П. Копылова. -М.: Энергоатомиздат, 1988.
- Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. -М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. -288 с.
- Технические данные асинхронных электродвигателей переменного тока с к.з. ротором серии АИ . -URL: http://principact.ru/content/view/166/72/(дата обращения 14.06.2016).
- Технические характеристики асинхронных двигателей серии 4А. Синхронная частота вращения -1500 об./мин . -URL: http://www.elektrikii.ru/publ/6-1-0-55 (дата обращения 14.06.2016).
- Романова В.В., Хромов С.В. Моделирование несимметричных режимов работы асинхронного двигателя//Сб. ст. всерос. конф. «Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление», 1-3 сентября 2015 г., Иркутск, Россия. -Иркутск: Изд-во ИСЭМ СО РАН, 2015. -С.237-244.
- Henaman G. Connecting nonlinear loads to public electricity systems a guide to Engineering Recommendation G5/4//Power Eng. J. -2002. -P. 16, N 2. -P. 77-87.
- Yacamini R. Power System Harmonics. P. 3. Problems caused by distorted supplies//Power Engineering Jounal. -1995, Oct. -P. 233-238.
- Shlash M., Sernlyen A. Efficiency issues of modular harmonic power flow/ЛЕЕ Proc: General Transmiss, and Distrib. -2001. -P. 148, N 2. -P. 123-127.
- Dynamics of AC electrical machines//IEEE Trans. Ind. Appl. -1994. -P. 30, N 2. -P. 277-285.
- An unified approach to the simulation of induction machine dynamics. P. 1. Review and modelling/Chani Sayed Nurul//Arch, elektrotechn. -1990. -P. 39, N 151-154. -P. 43-61.
- An unified approach to the simulation of induction machine dynamics. P. II. Simulation along ABC-abc reference frame/Chani Sayed Nurul//Arch, elek-trotechn. -1990. -P. 39, N 151-154. -P. 63-84.
- Yang Hong Geng. Assessment for Harmonics Emission Level from one particular customer. University of Liege, 1992.
