автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Приборный комплекс и метод контроля энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями частоты

На правах рукописи

Малацион Надежда Вячеславовна

ПРИБОРНЫЙ КОМПЛЕКС И МЕТОД КОНТРОЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов

и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ОКТ 2015

005563249

Казань-2015

005563249

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», на кафедре «Приборостроение и автоматизированный электропривод»

Научный руководи гель:

Официальные оппоненты:

Корнилов Владимир Юрьевич

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Казанский государственный

энергетический университет», профессор кафедры

«Приборостроение и автоматизированный

электропривод»

Макаров Валерий Геннадьевич

доктор технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский технологический университет»,

заведующий кафедрой «Электропривод и

электротехника»

Сидоров Сергей Николаевич

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный

технический университет», доцент кафедры

«Электропривод и автоматизация промышленных

установок»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ», г. Казань

Защита состоится 20 ноября 2015 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, ауд. Д-225,тел./факс (843) 562-43-30.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета и на официальном сайте КГЭУ Ьир:/М\у\у.к§еи.ги/0185/0;88еПап1/198?1с1В!83=32

Автореферат разослан «иУ>> сентября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н.

Калимуллин Рустем Ирекович

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние десятилетия прослеживается тенденция массового перехода от приводов постоянного тока к частотно-регулируемым электроприводам переменного тока. Это связано с активным развитием силовой электроники и микропроцессорной техники. Данное направление весьма перспективно благодаря невысокой стоимости машин переменного тока, меньшими массогабаритными показателями, простоте конструкции по сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ).

В настоящее время во исполнение закона РФ от 23.11.2009 №261 - ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» развернута систематическая работа по реализации электроэнергетической стратегии России на период до 2020 года, где одним из путей энергосбережения указан переход к частотно-регулируемым электроприводам.

Закон указывает на необходимость проведения энергетического обследования, в частности, в отношении технологического процесса, с целью

- получения объективных данных об объеме используемых энергетических ресурсов;

- определения показателей энергетической эффективности;

- определения потенциала энергосбережения и повышения энергетической эффективности;

- разработки перечня типовых, общедоступных мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности и проведению их стоимостной оценки.

Внедрение представленных выше задач позволит выбирать энергоэффективные режимы электроустановок при различных уровнях нагрузки или вырабатывать рекомендации по повышению энергоэффективности электроустановок.

Важной задачей электротехнической промышленности является повышение качества частотно-регулируемых электроприводов переменного тока на базе асинхронных двигателей с преобразователями частоты. Совершенствование и улучшение качества систем преобразователь частоты -асинхронный двигатель (ПЧ -АД) продолжается и по сей день.

Энергетическую эффективность электроприводов (ЭП), построенных на базе системы ПЧ-АД, принято оценивать по показателям, называемым энергетическими характеристиками (ЭХ), а именно: мощность, подводимая к системе ПЧ-АД и обмоткам статора двигателя; электромагнитная мощность; механическая мощность; мощность потерь в активном сопротивлении обмотки статора; мощность потерь в обмотке ротора; магнитные потери в статоре, к.п.д., коэффициент мощности. Эти показатели необходимо знать как на этапе выбора оборудования под требуемые режимы работы и тип производства, так и при контроле энергоэффективности работающих электроустановок с частотно-регулируемыми электроприводами.

Для определения числовых значений энергетических характеристик АД разработаны аналитические (Т - схема замещения, Г - схема замещения) и графо-аналитические методы, например, ГОСТ 7217-87 рекомендует применять метод круговых диаграмм, а также экспериментальные методы, основанные на измерении механической мощности и потребляемой мощности из питающей сети.

Однако для асинхронных ЭП с преобразователями частоты аналогичные методики либо отсутствуют, либо носят частный характер, например, для определения к.п.д. системы ПЧ-АД. Кроме того, на рынке измерительных приборов и комплексов отсутствуют предложения мобильных средств измерений энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями частоты без вывода электроустановок из технологического процесса для проведения соответствующих исследований. Поэтому разработка приборного комплекса и метода контроля ЭХ асинхронных электроприводов с преобразователями частоты на основе измерения мгновенных значений токов и напряжений на входах и выходах преобразователя частоты без перевода электроустановки из эксплуатационного в испытательный режим является актуальной научно-технической задачей.

Объект исследования: частотно-регулируемые асинхронные электроприводы промышленных установок.

Предмет исследования: методы и средства контроля энергетических характеристик частотно-регулируемых асинхронных электроприводов в установившихся режимах работы при различных уровнях нагрузки.

Цель исследования: усовершенствование метода контроля энергетических характеристик АД по круговым диаграммам и разработка на его основе приборного комплекса для оперативного экспресс-контроля энергоэффективности асинхронных электроприводов с преобразователями частоты в установившихся режимах работы электроустановок.

Научная задача диссертации: разработка методики и аппаратно-программных средств оперативного контроля показателей энергетической эффективности асинхронных электроприводов с преобразователями частоты на основе экспериментального определения характеристик обобщенных векторов токов и напряжений.

Решение поставленной научной задачи проводилось по следующим направлениям.

1. Анализ способов и приборных комплексов контроля ЭХ асинхронных электроприводов с преобразователями частоты.

2. Разработка способа построения круговых диаграмм для контроля ЭХ асинхронных электроприводов с преобразователями частоты по координатам обобщенных векторов токов и напряжений.

3. Разработка экспериментальной установки и прототипа приборного комплекса для исследования и контроля ЭХ системы ПЧ-АД для различных уровней нагрузки на валу асинхронного двигателя.

4. Разработка основных положений методики контроля ЭХ и экспериментальная проверка работоспособности приборного комплекса на

действующих образцах асинхронных электроприводов с преобразователями частоты.

Методы исследования. В работе использовались методы теоретического и экспериментального исследования. В теоретическом исследовании применялись методы теории электрических машин, теории электропривода и полупроводниковых преобразователей, теории систем управления, теории эффективности и методы работы в среде ЬаЬУ1Е\У на персональных ЭВМ.

Методы экспериментального исследования использовались для получения исходных данных, проверки и уточнения результатов теоретического анализа, а также оценки энергоэффективности действующих образцов асинхронных электроприводов с преобразователями частоты. Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке и прототипе приборного комплекса.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов определяются корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, использованием апробированных математических и численных методов, а также экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов при достаточном для инженерной практики совпадении результатов аналитического анализа, компьютерных расчетов и физического эксперимента.

Научная новизна заключается в следующем.

1. Разработана математическая модель процесса преобразования электрической энергии в системах преобразователь частоты - асинхронный двигатель, связывающая измеряемые величины действующих значений токов и напряжений схемы замещения с мгновенными значениями токов и напряжений векторной модели асинхронного двигателя.

2. Разработан усовершенствованный метод контроля ЭХ асинхронных электроприводов с преобразователями частоты по круговым диаграммам на основе анализа мгновенных значений токов и напряжений.

3. Разработана методика контроля ЭХ асинхронного электропривода с преобразователями частоты в установившихся режимах работы при различных моментах статической нагрузки.

4. Установлена взаимосвязь между параметрами обобщенного вектора тока (напряжения) (геометрическими характеристиками их годографов) и показателями несимметрии, несинусоидальности и высшими гармоническими составляющими питающей сети, а также с доверительным интервалом мгновенного значения модуля вектора и доверительной областью его годографа в установившемся режиме.

Практическая значимость. 1. Разработанные приборный комплекс и метод контроля энергетических характеристик систем преобразователь частоты - асинхронный двигатель могут быть полезны для проведения других типов испытаний под нагрузкой согласно ГОСТ 25941 - 83 «Машины электрические вращающиеся. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия», ГОСТ 7217 - 87 «Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний» и т.д.

2. Мобильность созданного приборного комплекса позволяет осуществлять оперативный контроль ЭХ систем ПЧ-АД при выборе энергоэффективных режимов работы электроприводов непосредственно на рабочем месте электроустановки без останова технологического процесса с выработкой рекомендаций по изменению настроек преобразователя частоты и применению фильтров высших гармоник и синусоидальных фильтров.

3. Предложенный способ контроля температуры статорных обмоток асинхронного двигателя, основанный на измерении температуры в объеме лобовой части обмотки асинхронного двигателя, может быть использован как производителями асинхронных двигателей, так и разработчиками систем ПЧ-АД для оперативного учета влияния температуры обмоток на параметры схем замещения.

4. Для калибровки измерительных каналов разработанного мобильного приборного комплекса может использоваться созданная автором стационарная экспериментальная установка, имеющая измерительные каналы более высокого класса точности и предназначенная для обработки больших объемов измерительной информации, получаемой в процессе длительных наблюдений за работой электроустановок в технологическом процессе.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель процесса преобразования электрической энергии в системах преобразователь частоты — асинхронный двигатель, связывающая измеряемые величины действующих значений токов и напряжений схемы замещения с мгновенными значениями токов и напряжений векторной модели асинхронного двигателя.

2. Усовершенствованный метод контроля энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями частоты по круговым диаграммам на основе анализа мгновенных значений токов и напряженнй.

3. Экспериментальная установка и приборный комплекс для исследования и оперативного контроля ЭХ системы ПЧ-АД в установившихся режимах функционирования для различных уровней нагрузки на валу асинхронного двигателя.

4. Методика контроля ЭХ асинхронных электроприводов с преобразователями частоты в установившихся режимах работы при различных моментах статической нагрузки.

Апробация работы. Теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIII, XV аспирантско-магистерских научных семинарах, посвященных Дню энергетика (Казань, 2009, 2011); V, VI, VII Молодежных международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010, 2011, 2012); XXII, XXIII Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках» (Казань, 2010, 2011); Международном конкурсе научных работ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в РФ, диплом III степени (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012); XVIII, XIX

международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2012, 2013); Международной научно-практической конференции «Измерения: Состояние, перспективы развития» (Челябинск, 2012).

Диссертационная работа выполнялась при поддержке гранта У.М.Н.И.К., государственный контракт № 11717р/17263 от « 05 » апреля 2013г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, из них 2 статьи в журнале, входящем в перечень ВАК, 1 патент на изобретение, 3 патента на полезную модель, 12 в материалах всероссийских и международных научных конференций.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Приборостроение и автоматизированный электропривод» Казанского государственного энергетического университета по профилям подготовки 140400 «Электроприводы и системы управления электроприводов» и 200100 «Приборы и методы контроля качества и диагностики» и в 000«АквАрена», о чем имеются соответствующие акты.

Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации и публикациях, получены при непосредственном участии соискателя. Автор принимал участие в разработке метода контроля энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями частоты, разработке и создании устройства для контроля качества функционирования асинхронных электроприводов с Преобразователями частоты, написании статей, разработке формул патентов на полезные модели и изобретение, представлении докладов на конференциях и выставках, выполнении работ по гранту «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»).

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и относится к следующим областям исследования:

1. Усовершенствованный метод контроля энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями частоты соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» паспорта специальности.

2. Математическая модель процесса преобразования электрической энергии в системах преобразователь частоты - асинхронный двигатель, связывающая измеряемые величины действующих значений токов и напряжений схемы замещения с мгновенными значениями токов и напряжений векторной модели асинхронного двигателя соответствуют п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».

3. Разработка и создание экспериментальной установки и приборного комплекса для исследования и контроля энергетических характеристик системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель в установившихся режимах

функционирования для различных уровней нагрузки на валу асинхронного двигателя соответствует п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами» паспорта специальности.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 137 страниц, включая 20 рисунков и 16 таблиц. Библиографический список содержит 91 наименование.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, указаны научная новизна и практическая значимость выполненной работы, сформулированы цель и задачи работы.

Первая глава посвящена обзору известных способов и средств контроля ЭХ асинхронных электроприводов. Проведен сравнительный анализ способов и средств контроля, в частности, по возможности определения энергетических характеристик (Рис. 1) системы НЧ АД без останова технологического процесса по мгновенным значениям фазных токов и напряжений.

Рис. 1. Энергетическая диаграмма системы ПЧ-АД

Процесс преобразования мощности Рхпч-ад (Рнс- ')> подводимой к системе ПЧ-АД, в полезную механическую Р2, снимаемую с вала машины, сопровождается потерями мощности на фильтре высших гармоник АР.м, на преобразователе частоты А/',,,, на /Х'-фильтре ДР1С, в обмотках статора ДР,Л, и ротора АРэл2 электрические потери, в стали статора магнитные потери АРШ1, а также механическими АРмех и добавочными АРдоб потерями.

Исследуемая система ПЧ-АД (рис. 2) состоит из фильтра высших гармоник АНБ, ЬС-синус-фильтра, преобразователя частоты ПЧ, асинхронного двигателя АД с моментом Мд на валу; Мс - момент сопротивления, создаваемый рабочим органом РО. Подключение измерительных приборов осуществляется в контрольных точках КТ1, КТ2, КТЗ, КТ4.

Рис. 2. Структурная схема системы ПЧ-АД

Энергетические характеристики ЛРдд определяют по круговой диаграмме и методом прямых измерений токов, напряжений и активной мощности. Оценка энергетической эффективности системы ПЧ-АД выполняется качественно по коэффициентам полезного действия (КПД) отдельных частей электроустановки П = ЛпчПадЛро-

Анализ существующих диагностических комплексов асинхронных электроприводов показал, что они решают ограниченный круг задач (вибродиагностика или испытания по ГОСТ 7217-87), большинство является стационарными, требуют демонтажа двигателя с электроустановки и определяют только характеристики ЛРЛд-

Выявлены проблемы определения ЭХ известными методами и измерительными комплексами: различие в математическом описании системы ПЧ-АД и асинхронного двигателя; питание электродвигателя осуществляется от ГТЧ с широтно-модулированным сигналом, тогда как способы определения энергетических характеристик АД основаны на допущениях о симметричности и синусоидальности трехфазной питающей сети; из-за влияния ПЧ на внешнюю сеть (высшие гармоники) появляются дополнительные потери энергии Лпчад подводимой к системе; влияние на надежность работы системы длины и сечения кабеля между ПЧ и АД из-за наличия емкостного сопротивления; необходимость переводить исследуемую установку в испытательный режим, проводить опыты холостого хода и короткого замыкания.

В заключении главы поставлены задачи по устранению перечисленных противоречий путем разработки нового метода и мобильного приборного комплекса, позволяющего определять энергетические характеристики системы ПЧ-АД по измеренным мгновенным значениям токов и напряжений без вывода электроустановки в испытательный режим.

Во второй главе представлена математическая модель электромагнитного процесса преобразования электрической энергии в системах частотно-регулируемого электропривода, основанная на взаимосвязи векторных и скалярных уравнений обобщенной электрической машины в статических режимах. Приведены основные положения методики контроля энергетических характеристик системы ПЧ-АД в установившихся режимах работы при различных моментах статической нагрузки.

Анализ математического описания АД по Г-схеме замещения и системы ПЧ-АД при помощи пространственных векторов показывает, что равенство разности углоь = = (р0 ~(Р1=во~в1 между фазными 0г, 0Х(1)) и

пространственными (11,и1(2)) векторами токов и напряжений позволяет осуществить переход от параметров векторной модели к параметрам Г-схемы в установившихся режимах работы системы ПЧ-АД.

01 = Ц1т 5т(й)Г + <ри), Д = 11т бш(аЛ + (р,) (1)

2

+ (^(1ц»-»1с)) (2)

№1 =

^ ("ы - \ ("iß + Wie))) + ("Iß - ЩС)) , (3)

где /|д, ¿iß, i'ic, г/iа, "¡с мгновенные значения фазных токов и напряжений, по которым можно определить взаимное положение векторов и и их действующие значения иг = i/lm/V2 = ¡Ö^ |/V2, /г = /1т/л/2 = |/i|/V2.

Далее по каталожным данным рассчитываются параметры Г-схемы замещения АД, ток намагничивающего контура i0=Üx /(Zm+Zt) и угол <р0 между осью ординат неподвижной системы координат (связанной со статором АД) и вектором тока холостого хода /0:

Фо = arctg

(4)

Для определения ЭХ был сформулирован алгоритм, который представлен в рукописи диссертационной работы. Также были разработаны основные положения методики, предназначенной для контроля ЭХ системы ПЧ-АД в номинальных и отличных от номинальных режимах работы электроустановки (различный уровень нагрузки на валу, изменяемая частота питающего напряжения) без останова технологического процесса. Сущность предлагаемой методики заключается в измерении мгновенных значений фазных токов и напряжений в доступных для подключения приборного комплекса контрольных точках электроустановки (рис. 2 КТ1, КТ2, КТЗ, КТ4) с последующим расчётом в прикладной программе энергетических характеристик по усовершенствованному методу с использованием круговых диаграмм.

Для определения энергетических характеристик строится круговая диаграмма (рис. 3) аналогично ГОСТ 7217-87. Искомые мощности находятся графически на миллиметровой бумаге или аналитически.

В работе энергетические характеристики для системы ПЧ (VLT5000) -АД (АИР90Ь2У2

мощностью 3 кВт) при нагрузке на валу близкой к номинальной определены тремя методами (табл. 1): разработанным автором в КТЗ = КТ4 (рис. 2); по ГОСТ 7217-87 (с проведением опыта холостого хода и короткого замыкания); переносным измерительным комплектом К-50 (метод прямых измерений мощности) при испытании АД от сети. Измерения проведены на разработанной при участии автора установке, состоящей из измерительного комплекта К-50, трех датчиков тока и напряжения, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), персонального компьютера (ПК); нагружающего устройства на основе двигателя постоянного тока (ДПТ), управляемого

тиристорным преобразователем (ТП), и нагружающего устройства типа «механический тормоз».

значениям фазных токов и напряжений

Р1=ЬР-тр, (5)

Рр = Ь^тр, (6)

Рэм = ЬЯ^тр, (7)

Рмех = Ш-тр, (8)

ДРт=5Р-_тр, (9)

ДРэл1 =К5-тр, (10)

ДРЭл1 = МЯ-гПр, (11)

где тр - масштаб мощности на круговой диаграмме

Проведенные измерения и расчёты (табл. 1) показывают принципиальную возможность определения энергетических характеристик с точностью не хуже 1,5% при помощи круговой диаграммы, построенной по координатам пространственных векторов тока и напряжения статора, рассчитанных по измеренным мгновенным значениям фазных токов и напряжений статора.

Разработанный метод гармонизирован с требованиями ГОСТ 7217-87, и в отличие от него позволяет оценивать энергетические характеристики системы ПЧ АД работающих электроустановок.

В третьей главе изложена экспериментальная проверка работоспособности методики контроля энергетических характеристик, состоящая из разработки плана экспериментальных исследований; разработки и создания экспериментальной установки; экспериментального определения энергетических характеристик системы ПЧ АД в установившемся режиме работы АД.

Энергетические характеристики,

Таблица 1. План исследований

полученные включает: выбор конфи-

чгт 7?, 7 Я7 г ^

гурации экспериментальной установки (рис. 4) и формирование системы

исходных данных

(каталожные данные электрооборудования); измерение в контрольных точках КТ1-КТ4 датчиками мгновенных

значений токов и напряжений и их действующих значений независимым каналом

измерения (прибор К50); проверку правильности функционирования системы ПЧ-АД в режиме холостого хода для различных частот вращения выходного вала; определение энергетических характеристик методами, рассмотренными во второй главе; обработку результатов измерений вероятностно-статистическим методом и формирование протокола испытаний.

Энергетические Разрабо- Метод 5,%

характеристики танный метод по ГОСТ

Р\, Вт 3220,37 3216,00 0,13%

Рр, Вт 2927,29 2926,00 0,04%

Р;м, ВТ 2388,18 2394,00 0,24%

Лисх, ВТ 1966,12 1972.00 0,29%

ДР,„1, Вт 293,08 290,00 1,06%

ДЛ„ь Вт 539,11 532,00 1,34%

АЛл2, Вт 422,06 422,00 0,01%

П = Рг!Р\ 0,61 0,61 0%

cos<p 0,57 0,57 0%

ООО / 8

к-50

_к

Рис. 4. Структурная схема экспериментальной установки: 1 - фильтр высших гармоник, 2 - преобразователь частоты (ПЧ), 3 - LC - фильтр,

4 - асинхронный двигатель, 5 - датчик температуры, 6 - ДПТ независимого возбуждения, 7 - тиристорный преобразователь, 8 - переносной измерительный комплект К-50, 9 - датчик тока, 10 - датчик напряжения, 11 - АЦП, 12 -персональный компьютер

Экспериментальная установка (рис. 4, 5А), позволяет шунтированием фильтров 1 и 3 магнитными пускателями МП1, МП2 реализовать 4 варианта конфигурации системы ПЧ-АД (1-е фильтрами; 2 - только LC-фильтр (МП1 замкнут), 3 - толькофильтр высших гармоник (МП2 замкнут) 4 - без фильтров (МП1, МП2 замкнуты)).

Нагрузка асинхронного двигателя АИР9012У2, управляемого ПЧ VLT5000, осуществляется нагружающим устройством на основе ДПТ, соединенного с валом АД. Датчики тока (АРРА 39Ти ДТХ50) и напряжения

{БУ025) могут устанавливаться во все контрольные точки в режиме работы электроустановки. Выводы датчиков соединяются со входами АЦП ШРС1 4472 (24 бит, 102,4 кГц). Измерительный комплект К50 устанавливается в разрыв контрольных точек во время параметрирования электропривода.

Рис. 5. Внешний вид экспериментальной установки (А) и приборного комплекса (В): 1 - шкафы с электрооборудованием (фильтры, ПЧ, тиристорный преобразователь, коммутационная аппаратура); 2 - асинхронный двигатель; 3 - ДПТ;

4 - персональный компьютер с АЦП; 5 - комплект К-50; 6 - датчики тока

На данном этапе исследований измерение, первичная обработка данных и визуализация осуществляется в программе, разработанной в среде Lab VIEW, а расчёт энергетических характеристик - впакете MSExcel. Эксперименты проведены в различных скоростных (10-50 Гц) и нагрузочных режимах работы электропривода (рис. 6), согласно методу, разработанному во 2 главе.

Таким образом, исследования показывают работоспособность методики контроля энергетических характеристик системы ПЧ АД в различных установившихся скоростных и нагрузочных режимах без останова технологического процесса.

эп2

■■ яттт

ЬРмех ЬРдоб Р2

И

(Ш Ья Ш ЙИШШ т-„кг- -«а,

Р эм гмех кРэл1 &Рэл2 ¿|Ра> kPMeJt ЬРдоб Р2

Рис. 6. Энергетические характеристики 4 вариантов конфигурации системы ПЧ-АД при частоте напряжения приложенной к статарной обмотке: А) 50 Гц, 1,0М0;

В)45 Гц, 1,0/Wc

Четвертая глава посвящена разработке и созданию приборного комплекса контроля энергетических характеристик частотно-регулируемых электроприводов в соответствии с общимитребованиями ГОСТ 7217-87 по испытаниям асинхронных двигателей и частными требованиями предложенного в диссертации метода контроля. Разработана структурная схема (рис. 7А), программное обеспечение (рис. 7В) и прототип приборного комплекса (рис. 5В), проведен метрологический анализ.

Приборный комплекс (рис. 7А) состоит из трех бесконтактных датчиков тока (ДТ) АРРА 39Т (до 1000А), трех датчиков напряжения (ДН) SV025 (до 1000 В) блока питания (БП), АЦП NIUSB6008 (10 бит, 10 кГц); ноутбука (ПК) с комплектом прикладного программного обеспечения (ПО), реализованного в среде LabVIEW, для проведения измерений, расчетов, визуализации, сохранения результатов и выдачи протокола испытаний. Электронные блоки, датчики тока, щупы для измерения напряжения и ноутбук с прикладной программой размещены в ударопрочном кейсе (рис 5В).

В состав ПО входят: подпрограмма (ПП1) ввода и первичной обработки массива данных с АЦП и каталожных данных электродвигателя; подпрограмма (ПП2) расчёта гармонических составляющих, модулей и взаимного положения пространственных векторов токов и напряжения, вектора тока холостого хода и годографов тока и напряжения; подпрограмма (ППЗ) расчёта энергетических характеристик по круговой диаграмме; подпрограмма ПП4 формирования протокола испытаний с указанием исходных данных, условий испытаний и рассчитанных энергетических характеристик, гармонический состав токов и напряжений.

Рис. 7. Структурная схема приборного комплекса (А) и лицевая панель программного

обеспечения(В)

Метрологический анализ приборного комплекса проводился по МИ 22280 «Методика расчета метрологических характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем по метрологическим характеристикам компонентов». Нормированная основная приведенная погрешность измерительного канала тока равна Д/=19,1 мВ, канала напряжения Ду=19,1мВ.

Экспериментальная установка заведомо обладает лучшими метрологическими характеристиками, поэтому предполагается, что по ней можно калибровать приборный комплекс.

В заключении главы приводятся результаты измерений соБср (рис. 8)и гармонических составляющих фазных токов и напряжений на исследовательской установке при частоте 10, 30, 50 Гц в различных вариантах (1-4) с рекомендациями по изменению настроек ПЧ и подбору фильтров.

» Ю Гц Л 30 Гц К 50 Гц

КТ1вар1 КТ1вар2 КТ1варЗ КТ1вар4 КТ4вар1 КТ4вар2 КТДварЗ КТ4вар4

Рис 8. соэф системы ПЧ-АД, измеренный в контрольных точках КТ1 и КТ4 в 4 вариантах конфигурации при частоте напряжения приложенной к статорной обмотке

10, 30 и 50 Гц

Таким образом, максимальный коэффициент мощности (0,82) достигается на входе системы ПЧ-АД при использовании АНР и ¿С-фильтров (вар. 1). Коэффициент мощности возрастает как в КТ1, так и КТ4, при достижении номинальной частоты питания двигателя, что согласуется с теорией электрических машин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В заключении обобщены основные результаты работы.

1. Анализ существующих способов и приборных комплексов контроля энергетических характеристик асинхронных электроприводов показал их непригодность для контроля энергетических характеристик системы ПЧ-АД ввиду отсутствия математической модели системы ПЧ-АД, позволяющей проводить измерения без перевода установки в испытательный режим.

2. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать энергетические характеристики системы ПЧ-АД (по мгновенным значениям фазных токов и напряжений статора и справочным данным электродвигателя) на основе взаимосвязи векторных и скалярных уравнений обобщенной электрической машины в статических режимах по круговой диаграмме, согласно ГОСТ 7217-87, без проведения опытов холостого хода и короткого замыкания. Модель апробирована для различных уровней нагрузки и скоростных режимов и согласуется с расчётами, проведенными по ГОСТ 721787 с использованием независимых каналов измерения в виде комплекта К50.

3. Разработаны экспериментальная установка и прототип приборного комплекса для исследования и контроля энергетических характеристик системы ПЧ-АД. Экспериментальная установка позволяет проводить измерения и создавать 4 конфигурации электропривода, различный статический момент на валу электродвигателя и задавать скорость его вращения. Приборный комплекс, состоящий из стандартных и оригинальных блоков, мобилен и позволяет проводить измерения на промышленных электроустановках в рабочем режиме без перевода их в испытательный режим.

4. Разработана расчетно-экспериментальная методика контроля энергетических характеристик системы ПЧ-АД. Проведена проверка работоспособности экспериментальной установки и приборного комплекса в различных эксплуатационных режимах на действующих образцах асинхронных электроприводов с преобразователями частоты в лабораториях ФГБОУ ВПО «КГЭУ» и ООО «АквАрена».

Совокупность вышеизложенных теоретических и экспериментальных результатов служит основанием для заключения о достижении поставленной в диссертационной работе цели.

Основное содержание исследования отражено в следующих публикациях Публикацияв изданиях, рекомендованных ВАК

1) Корнилов В.Ю., Ахунов Д.Д., Андреева Н.В. Расчетно-экспериментальное оценивание погрешностей измерительных каналов системы «преобразователь частоты VLT 5000 FLUX - асинхронный двигатель» / Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. -2012. -№ 1-2.-С. 122-126.

2) Андреева Н.В. Метод контроля энергетических характеристик асинхронных электроприводов с преобразователями частоты / Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2014.-№ 9-10. -С. 91-100.

Патенты РФ

3) Патент РФ № 121664, МПК Н02Н. Автоматизированная система контроля теплового состояния электродвигателей / Андреева Н.В., Ахунов Д.Д., Корнилов В.Ю. -Опубл. 27.10.12, Бюл. №30.

4) Патент РФ № 122781, МПК 0011131/34. Автоматизированный стенд для исследования и испытания электроприводов / Андреева Н.В., Ахунов Д.Д., Корнилов В.Ю. -Опубл. 10.12.2012, Бюл. №34.

5) Патент РФ № 129260, МПК С011131/00. Установка для оценки эффективности функционирования асинхронного электропривода / Андреева Н.В., Ахунов Д.Д., Корнилов В.Ю. - Опубл. 20.06.2013, Бюл. №6.

6) Патент РФ № 2012136090, МПК в011131/00. Способ контроля метрологических характеристик систем управления электроприводов переменного тока / Корнилов В.Ю., Ахунов Д.Д., Андреева Н.В. -Опубл. 22.01.2015, Бюл. №12.

Материалы и тезисы конференций

7) Андреева Н.В., Корнилов В.Ю. Влияние погрешностей измерений на качество функционирования системы преобразователь частоты-асинхронный двигатель // Сборник материалов докладов VI Международноймолодежнойнаучной конференции «Тинчуринские чтения». 2011. Т. 2. - Казань: КГЭУ, 2011. - С. 63-64.

8) Андреева Н.В., Корнилов В.Ю. Сопоставительный анализ погрешности и неопределенности измерений, влияющих на функционирование системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель // Сборник материалов ХХШ Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках». 2011. Ч. 1. - Казань: КВВКУ, 2011. -С. 31-32.

9) Андреева Н.В., Корнилов В.Ю. Сравнительный анализ погрешности и неопределенности измерений в классическом подходе и Руководстве // Сборник материалов Международной научной конференции «Научному прогрессу-творчество молодых». 2011. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2011- С. 187188.

10) Андреева Н.В., Политова Т.О., Корнилов В.Ю. Сравнение концепции погрешности и концепций неопределенности в современной метрологии // Сборник материалов XIX Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». 2011. - Казань: КНИТУ-КАИ, 2011. -С. 35-36.

11) Андреева Н.В., Корнилов В.Ю. Исследование возможностей частотно-регулируемых электроприводов // Материалы докладов 18 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2012. - Москва: МЭИ, 2012. -С. 205-206.

12) Андреева Н.В., Ахунов Д.Д., Корнилов В.Ю. Алгоритм вычисления предельной погрешности измерительных каналов системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» по годографу пространственного вектора тока статора // Сборник материалов XX Международной молодежной научной

конференции «Туполевские чтения». 2012. -Казань: КНИТУ-КАИ, 2012. -С. 35-36.

13) Андреева Н.В., Ахунов Д.Д., Корнилов В.Ю. Влияние показателей качества электроэнергии на метрологические характеристики системы преобразователь частоты — асинхронный двигатель // Материалы VII Региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия - 2012» (с международным участием). 2012. -Иваново: ИГЭУ, 2012. -С. 119-120.

14) Андреева Н.В., Ахунов Д.Д., Корнилов В.Ю. Методика оценивания эффективности асинхронного электропривода с векторным управлением по критерию потерь полезной мощности // Сборник трудов международного конкурса научных работ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в РФ. 2012. -Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012.-С. 291-298.

15) Андреева Н.В., Ахунов Д. Д., Корнилов В.Ю. Оценка эффективности автоматизированных электроприводов по критерию потерь активной мощности // Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Измерения: Состояние, перспективы развития». 2012. -Челябинск: ЮУрГУ, 2012,- С. 29-31.

16) Андреева Н.В., Ахунов Д.Д., Корнилов В.Ю. Математическая модель позиционного асинхронного электропривода с частотным преобразователем // Сборник материалов второй всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика-2012». 2012. - Ижевск: ИжГТУ, 2012. -С. 215-216.

17) Андреева Н.В., Корнилов В.Ю. Приборный комплекс и метод для оценивания качества функционирования асинхронных электроприводов с преобразователями частоты по критерию энергоэффективности // Материалы докладов 19 международной научно-технической конференции студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2013. -Москва: НИУ «МЭИ», 2013. -С. 205-206.

18) Андреева Н.В., Корнилов В.Ю., Малацион A.C. Приборный комплекс контроля энергетических характеристик асинхронных электроприводов // Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014. 2014. Т. 1. — Саранск: МГУ им. Н.П. Огарёва, 2014. - С. 187-190.

Подписано к печати 03.09.2015 г. Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ. печ. л. 1,25 Усл. печ. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,2

Тираж 100 экз._Заказ №4956_

Издательство Казанского государственного энергетического университета 420066, Казань, Красносельская, 51