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.