Визначення параметрів двигунів змінного струму при полігармонійному живленні обмоток статора

30

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.313.3.043/045.5

Визначення параметрів двигунів змінного струму при полігармонійному живленні обмоток статора

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Калінов Андрій Петрович

Кременчук 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа:

Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра електромеханіки та теоретичних основ електротехніки.

Захист відбудеться 7 лютого 2006 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 45.052.01 Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 39614, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева 20, корпус № 1, ауд. 1211.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України (39614, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20).

Автореферат розісланий 30 грудня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради канд. техн. наук., доц. А.В. Некрасов

АНОТАЦІЯ

Калінов А.П. Визначення параметрів двигунів змінного струму при полігармонійному живленні обмоток статора. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. - Кременчуцький державний політехнічний університет, Кременчук, 2005.

Дисертаційну роботу присвячено питанням створення високоефективних методів визначення параметрів двигунів змінного струму з використанням складових гармонік миттєвої потужності, що утворені з одночастотних і різночастотних складових гармонік напруги та струму при полігармонійному живленні обмоток статора.

У роботі досліджено методи ідентифікації електромагнітних параметрів і визначення втрат у двигунах змінного струму, обґрунтовано вимоги до випробувального устаткування. Обґрунтовано доцільність використання повних рівнянь балансу складових миттєвої потужності на джерелі та елементах схеми заміщення для визначення параметрів електричної машини при використанні полігармонійних тестових сигналів. Адаптовано існуючі схеми заміщення двигунів змінного струму для аналізу енергопроцесів при полігармонійному живленні. У загальному вигляді виведені рівняння складових миттєвої потужності на джерелі живлення та на елементах схеми заміщення, складені системи рівнянь балансу складових потужності для визначення параметрів схем заміщення двигунів змінного струму. Розроблено методи визначення втрат потужності у вузлах машин змінного струму при полігармонійному живленні в режимі ненавантаженого двигуна, а також метод визначення втрат у СД під час роботи в режимі компенсатора. Розроблені способи уточнення електромагнітних параметрів машин змінного струму шляхом проведення додаткових дослідів з використанням вентильних схем. Розглянуто питання побудови комп'ютеризованої системи визначення параметрів машин змінного струму.

Ключові слова: двигуни змінного струму, полігармонійне живлення, електромагнітні та енергетичні параметри, складові гармонік миттєвої потужності, втрати потужності.

АННОТАЦИЯ

Калинов А.П. Определение параметров двигателей переменного тока при полигармоническом питании обмоток статора. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - Электрические машины и аппараты. - Кременчугский государственный политехнический университет, Кременчуг, 2005.

Диссертационная работа посвящена вопросам создания высокоэффективных методов определения параметров двигателей переменного тока при использовании составляющих гармоник мгновенной мощности, образованных одночастотными и разночастотными составляющими гармоник тока и напряжения при полигармоническом питании обмоток статора.

В работе исследованы методы идентификации электромагнитных параметров и определения потерь двигателей переменного тока, определены особенности и сформулированы требования к методу идентификации параметров двигателей переменного тока в условиях ремонтных цехов и предприятий.

Обоснована целесообразность использования полных уравнений баланса составляющих мгновенной мощности на источнике и элементах схемы замещения для определения параметров электрической машины при использовании полигармонических тестовых сигналов. Уточнены существующие схемы замещения двигателей переменного тока для анализа энергопроцессов при полигармоническом питании путем учета потерь в стали нелинейной зависимостью сопротивления контура намагничивания от частоты тока и учета эффекта вытеснения тока квадратичной зависимостью увеличения сопротивления ротора от частоты. В общем виде выведены уравнения составляющих мгновенной мощности на источнике питания и на элементах схемы замещения, составлены системы уравнений баланса составляющих мощности для определения параметров схем замещения двигателей переменного тока. Доказана возможность использования метода, который базируется на полных уравнениях энергетического баланса составляющих гармоник мгновенной мощности при полигармоническом питании в режимах короткого замыкания и холостого хода, как для определения электромагнитных, так и для определения энергетических параметров, которые в комплексе позволяют расчетным путем определить номинальные параметры двигателей переменного тока.

Разработаны методы определения потерь мощности в узлах машин переменного тока при полигармоническом питании в режиме холостого хода, а также метод определения потерь в СД при работе в режиме компенсатора. Предложен способ определения скольжения холостого хода без использования датчиков частоты вращения для определения потерь в стали в функции тока намагничивания, определения потерь в роторе и уточнения декомпозиции потерь двигателей переменного тока.

Разработана структура оборудования и обоснованы режимы его работы для определения электромагнитных и энергетических параметров двигателей переменного тока.

Ключевые слова: двигатели переменного тока, полигармоническое питание, электромагнитные и энергетические параметры, составляющие гармоник мгновенной мощности, потери мощности.

ABSTRACT

Kalinov A.P. The determination of parameters of motors of an alternating current at use of polyharmonical feed of windings of stator. - Manuscript.

The dissertation for Candidate of Technical Sciences Degree on speciality 05.09.01 - Electrical Machines and Apparatuses. - Kremenchuk State Polytechnical University, Kremenchuk, 2005.

The dissertation is devoted to problem of creation of highly effective methods of determination of parameters of motors of an alternating current at using of components of harmonics of an instant power, derived by one-frequent and different-frequent components of harmonics of a current and voltage with polyharmonical feed of windings of stator.

In work were researched the methods of identification of electromagnetic parameters and the methods of definitions of losses in motors of an alternating current; were proved the requirements to the equipment for identification of parameters. The expediency of use of the complete equations of balance of constitutes of the instant power on a source and on an elements of the circuit of replacement for definition of parameters of the electrical machine at use the polyharmonical test signals were proved. The existing circuits of replacement of motors of an alternating current were adapted for the analysis of energy processes at polyharmonical feed. In a general aspect the equations of constitutes of instant power on the power source and on elements of the circuits of replacement were deduced, the systems of the equations of balance of constitutes of instant power for definition of parameters of the circuits of replacement of motors of an alternating current were composed.

The methods of definition of power losses in units of machines of an alternating current in a mode of the non-loaded motor at polyharmonical feed were developed, and also the method of definition of losses in synchronous motors at work in a mode of the compensator were developed. The ways of specification of electromagnetic parameters of machines of an alternating current by realization of additional experiences with use the valve circuits were developed. The questions of construction of the computer-aided system of definition of parameters of machines of an alternating current were considered.

Key words: engines of an alternating current, polyharmonical feed, electromagnetic and energetic parameters, constitutes of harmonics of instant power, power losses.

полігармонійний струм електроремонтний

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Надійність роботи електричних двигунів (ЕД) змінного струму за останні 10...15 років знизилась в окремих випадках у кілька разів. Щорічно виходять з ладу і ремонтуються до 30% парку ЕД, які використовуються у промисловості, та до 70%, що використовуються у транспорті. У переважній більшості після ремонту ЕД змінного струму повертають на підприємства, де продовжують експлуатувати до наступного виходу з ладу. Кількість ремонтів в окремих випадках складатє 3...4 на рік при значному зменшенні часу напрацювання на відмову до 0,5...1,5 року. Багаторічна експлуатація, що супроводжується багаторазовими ремонтами, призводить до того, що використовують машину, реальні експлуатаційні показники якої значно нижчі, ніж задекларовані заводом-виробником.

Використання достовірних електромагнітних та енергетичних параметрів ЕД для побудови систем захисту, плавного запуску, безперервного моніторингу, частотного і векторного реґулювання швидкості обертання, компенсації реактивної потужності дозволить створювати енерго- і ресурсозберігаючі режими роботи, підвищити точність реґулювання і надійність роботи приводів відповідальних механізмів, сформулювати й оцінити ефективність енергозберігаючих заходів, що є частиною загальнодержавної задачі енергоресурсозбереження. Визначення реальних електромагнітних і енергетичних параметрів набуває особливого значення для сертифікації ЕД змінного струму, які пройшли ремонт.

Аналіз методів оцінювання параметрів ЕД змінного струму вказує на необхідність пошуку принципово нових науково-технічних рішень побудови випробувальних комплексів, які відрізняються від відомих простотою, універсальністю і можливістю часткової чи повної автоматизації. Тому актуальною є задача розробки методів, які дозволять здійснювати повний комплекс випробувальних режимів ЕД змінного струму на одному універсальному обладнанні за умов електроремонтних цехів і підприємств.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження відповідають комплексній проблемі НАН України “Наукові основи електроенергетики” та напряму науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України - “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, та включені до плану бюджетних НДР Міністерства освіти і науки України: тема 7Д/03-ЦЕНТР “Дослідження та розробка систем енергомоніторинґу електромеханічного обладнання промислових підприємств”, №ДР0103U000804, м. Кременчук, 2003-2005 рр., та госпдоговірних робіт: тема 27/01-ЦЕНТР ”Розробка і впровадження післяремонтної й експлуатаційної діагностики електричних двигунів в умовах електроремонтного цеху НПЗ”, №ДР010U005792, м. Кременчук, 2001-2003 рр.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в підвищенні точності та ефективності визначення електромагнітних та енергетичних параметрів ЕД змінного струму шляхом використання ортогональних складових гармонік миттєвої потужності при полігармонійному живленні обмоток статора.

Для досягнення мети поставлені й вирішені наступні задачі:

- визначення особливостей та розробка вимог до методів ідентифікації параметрів двигунів змінного струму в умовах електроремонтних підприємств;

- обґрунтування можливості підвищення ефективності частотних методів визначення параметрів двигунів змінного струму при полігармонійному живленні;

- дослідження та математичний опис процесів перетворення енергії в електричних двигунах змінного струму при полігармонійному живленні;

- дослідження впливу ефекту витиснення струму в обмотках ротора на енергопроцеси в двигунах змінного струму при полігармонійному живленні;

- розробка методів визначення параметрів двигунів змінного струму при полігармонійному живленні та дослідження їх за точністю, стійкістю отримуваних розв'язків та чутливістю до похибок вимірювання;

- розробка методів визначення додаткових інформаційних ознак для підвищення точності ідентифікації параметрів двигунів змінного струму;

- розробка алгоритмічного, програмного та апаратного забезпечення для визначення параметрів двигунів змінного струму;

- математичне моделювання та експериментальне дослідження розроблених методів з метою підтвердження основних теоретичних положень і наукових результатів дисертаційної роботи.

Об'єкт досліджень - електромагнітні процеси та процеси перетворення енергії у двигунах змінного струму при полігармонійному живленні.

Предмет досліджень - процес визначення електромагнітних та енергетичних параметрів двигунів змінного струму.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених задач використовувались загальні методи теоретичних основ електротехніки; теорія електричних машин при аналізі схем заміщення двигунів змінного струму; теорія рядів Фур'є при визначенні гармонійних складових миттєвої потужності; числові методи розв'язання рівнянь і систем при реалізації математичних моделей; методи наближень, апроксимації та інтерполяції, теорія ідентифікації динамічних об'єктів для визначення додаткових інформативних параметрів; математичне моделювання на ЕОМ та експериментальні дослідження для перевірки теоретичних положень і наукових результатів.

Ідея роботи. Використання ортогональних складових гармонік напруги, струму та миттєвої потужності при полігармонійному живленні для визначення електромагнітних та енергетичних параметрів двигунів змінного струму.

Наукова новизна одержаних результатів:

- набула подальшого розвитку теорія аналізу схем заміщення двигунів змінного струму загальнопромислового використання шляхом врахування втрат у сталі нелінійною залежністю опору контуру намагнічування від частоти струму та врахування ефекту витиснення струму на вищих гармоніках квадратичною залежністю збільшення опору ротора, що дозволяє з достатньою достовірністю аналізувати енергопроцеси при полігармонійному живленні обмоток статора;

- вперше отримано у загальному вигляді рівняння балансу складових гармонік миттєвої потужності на джерелі живлення та елементах схем заміщення двигунів змінного струму з урахуванням нелінійностей, що дозволило визначити їх електромагнітні та енергетичні параметри при полігармонійному живленні;

- теоретично доведено та експериментально підтверджено, що комплексне використання рівнянь електричної рівноваги та балансу ортогональних складових миттєвої потужності в елементах схем заміщення та додаткових інформаційних рівнянь, які отримуються у режимах живлення обмоток статора від пристроїв полігармонійної напруги, на відміну від відомих методів, забезпечує пофазну ідентифікацію електромагнітних та енергетичних параметрів двигунів змінного струму з урахуванням їх нелінійностей, підвищену точність і низьку чутливість до похибок вимірювань;

- доведено, що використання визначених параметрів схем заміщення та ковзання неробочого ходу дозволяє визначити втрати в сталі у функції струму намагнічування та втрати в роторі, що, на відміну від відомих методів, підвищує точність декомпозиції втрат потужності двигунів змінного струму для розрахунку передбачуваної навантажувальної здатності.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується коректністю прийнятих у математичних моделях припущень та підтверджується збігом теоретичних положень з результатами математичного моделювання і даними експериментальних досліджень, позитивними впровадженнями результатів роботи.

Практичне значення одержаних результатів:

- визначено особливості та сформульовано вимоги до методу ідентифікації параметрів двигунів змінного струму в умовах ремонтних цехів та підприємств;

- обґрунтовано структуру та режими роботи джерел полігармонійного живлення, що відрізняються простою конструкцією і високими інформативними можливостями та, на відміну від відомих джерел тестових впливів, забезпечують комплексний підхід до отримання додаткових інформаційних ознак;

- розроблено методи визначення електромагнітних та енергетичних параметрів та методи перевірки отриманих результатів;

- розроблено математичне, апаратне та програмне забезпечення, що дозволяє

створювати широкий спектр випробувальних режимів без зміни структури силового обладнання.

Розробки пройшли експериментальну перевірку і є готовим продуктом для практичного використання. Результати роботи впроваджено в проект системи діагностики електричних машин змінного струму в цеху №12 АТ “УКРТАТНАФТА” (м. Кременчук) та в проект системи діагностики електричних машин змінного струму електроремонтного цеху КМК (м. Кривий Ріг), а також у навчальному процесі на кафедрі систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного політехнічного університету в рамках дисциплін “Теорія надійності та діагностики електромеханічних систем”, “Ефективне енергоспоживання”.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював задачі дослідження, наукову новизну отриманих результатів, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві: [1] - розроблено метод визначення втрат у синхронному двигуні (СД) в режимі компенсатора; [2, 10] - розроблено та вдосконалено математичний апарат визначення електромагнітних параметрів СД при використанні полігармонійного живлення; [5] - здійснено експериментальні дослідження запропонованих методів визначення параметрів при полігармонійному живленні; [8] - запропоновано способи підвищення точності визначення електромагнітних параметрів ЕД змінного струму за рахунок комплексного використання результатів аналізу окремих ділянок полігармонійних сигналів; [9] - запропоновано спосіб перевірки адекватності визначених параметрів; [12] - запропоновано пристрій для випробування асинхронного двигуна (АД).

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародних науково-технічних конференціях: “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (м. Кременчук, 2003-2005 рр.), “Енергозбереження та автоматизація в промисловості та народному господарстві” (м. Кіровоград, 2004р.), “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (м. Алушта, 2005 р.), “Інформаційна техніка та електромеханіка, ITEM'2005” (м. Луганськ, 2005 р.), Міжнародному симпозіумі ”Проблеми вдосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. SIEMA'2004” (м. Харків, 2004 р.), Всеукраїнських науково-технічних конференціях молодих учених та спеціалістів “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (м. Кременчук, 2003-2005 рр.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 12 друкованих працях, з них 9 - у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 3 - деклараційні патенти України. П'ять наукових робіт видано без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації складає 210 сторінок друкованого тексту та містить вступ, п'ять розділів, висновки що до роботи, список використаних джерел і шість додатків. Основну частину викладено на 147 сторінках. Список використаних джерел складається із 140 найменувань та займає 14 сторінок. Дисертація містить 64 рисунки і 6 таблиць, з них 20 рисунків та 3 таблиці повністю займають 12 сторінок.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи і показано зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету й основні наукові та практичні задачі дослідження, наведено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.

У першому розділі проведено аналітичний огляд надійності й причин виходу з ладу машин змінного струму. Тенденцію збільшення аварійності та зростання обсягу ремонтних робіт проілюстровано на даних гірничорудної галузі Полтавського реґіону.

Аналіз літературних джерел і патентної документації дозволив виявити основні недоліки існуючих способів ідентифікації параметрів ЕД змінного струму. Найбільш вагомий внесок до розвитку методів визначення електромагнітних і енергетичних параметрів відображено в роботах Гольдберга О.Д., Жерве Г.К., Казовського Е.Я., Рогозіна Г.Г., Сивокобиленка В.Ф. Більшість відомих методів дозволяють визначити тільки частину електромагнітних параметрів двигунів змінного струму, і лише у вигляді інтеґральних величин без можливості визначення параметрів окремо по фазах. При цьому варто зазначити той факт, що для СД найчастіше визначають не самі параметри схем заміщення, а похідні від них величини (синхронні, перехідні, надперехідні параметри). Крім того, більшість існуючих методів визначення втрат потужності машин змінного струму потребує використання силового обладнання, що має високі вартісні й масоґабаритні показники (індукційні реґулятори напруги, автотрансформатори, приводні машини тощо). Тому, при практичній відсутності випробувального обладнання і кваліфікованого персоналу, на ремонтних підприємствах випробування обмежуються визначенням активного опору обмоток статора, випробовуванням міцності ізоляції й обкатуванням без навантаження з виміром струму неробочого ходу.

У роботі показано, що ідентифікація електромагнітних параметрів машин змінного струму за умов післяремонтних випробувань має ряд особливостей. Висунутий ряд вимог: високий ступінь автоматизації проведення експерименту, диференційне визначення параметрів за фазами, повнота визначення параметрів, простота обробки дослідних даних, простота джерела тестових сигналів, високий ступінь деталізації математичного опису електричної машини та інші, за якими здійснювалося оцінювання можливості використання розглянутих методів у практиці післяремонтної ідентифікації електромагнітних параметрів. Доведено, що використання вентильних схем і полігармонійних тестових сигналів відкриває можливості щодо створення методів, які легко автоматизуються і відтворюються для визначення параметрів двигунів змінного струму.

У другому розділі проаналізовано існуючі частотні методи оцінювання параметрів двигунів змінного струму, розроблено методи визначення електромагнітних та енергетичних параметрів двигунів змінного струму.

Більшість методів визначення електромагнітних параметрів, незалежно від способу створення випробувального режиму і способу обробки дослідних даних, базуються, по суті, на аналізі перехідних процесів, які виникають у результаті зміни електромагнітного стану електричної машини. Як окремий клас можна виділити методи, що реалізуються при періодичних гармонійних чи негармонійних впливах з боку обмоток машини й аналізі частотних характеристик (залежностей параметрів від частоти впливу). Показано, що розвиток частотних методів оцінювання параметрів двигунів змінного струму здійснюється при використанні ортогональних складових гармонік струму, напруги та миттєвої потужності при полігармонійному живленні обмоток статора (рис.1).

З'ясовано, що нехтування втратами в сталі та ефектом витиснення струму в обмотках ротора при полігармонійному живленні обмоток статора призводить до значних похибок ідентифікації електромагнітних параметрів. Крім того, розділення параметрів паралельно з'єднаних контурів можливе тільки у випадку, коли параметри контурів у різному ступені залежать від частоти. У роботі адаптовано існуючі схеми заміщення двигунів змінного струму шляхом урахування втрат у сталі та ефекту витиснення струму в роторі для аналізу енергопроцесів при полігармонійному живленні (рис. 2, де: ДС - датчик струму, ДН - датчик напруги).

Урахування втрат у сталі досягається введенням до контуру намагнічування (рис. 2) активного опору, що нелінійно залежить від частоти струму:

де опір контуру намагнічування, що еквівалентний втратам у сталі при номінальній частоті; відносна частота (номер гармоніки); сталий коефіцієнт, що залежить від стану пакета сталі.

Доведено, що для двигунів загальнопромислового застосування ефект витиснення струму в обмотках ротора може бути визначений експериментально при шляхом апроксимації квадратичною залежністю різниці дійсної частини повного комплексного опору на затискачах двигуна й активного опору обмотки статора () (рис. 3):

(1)

де приведений опір ротора при частоті, що дорівнює нулю; коефіцієнт, що визначає вплив ефекту витиснення.

Визначення похибок обчислення ефекту витиснення струму в роторі на вищих гармоніках здійснювалось за допомогою математичної моделі схеми заміщення при різних коефіцієнтах (рис. 4). Результати математичного моделювання свідчать, що ефект витиснення струму в роторі визначається з похибкою, що не перевищує 11%.

Визначення параметрів схем заміщення двигунів змінного струму відбувається у режимі нерухомого ротора шляхом почергового впливу полігармонійною напругою окремо на кожну фазу.

Аналіз запропонованої схеми свідчить, що найпростіші математичні перетворення дозволяють одержати параметри еквівалентної схеми у вигляді. При цьому для кожної гармоніки можна одержати рівняння для дійсної та уявної складових повного комплексного опору машини:

У цьому випадку кількість гармонік, що аналізуються повинна дорівнювати

,

де N=6 - число невідомих у схемі заміщення (рис. 2) (R1, X1, , , Rµ, Хµ). Слід зауважити, що з ростом номера гармоніки зростають і похибки визначення її складових. Тому важливою задачею є зменшення кількості гармонік, що аналізуються, при одночасному збільшенні кількості рівнянь у системі.

Ґрунтуючись на рівняннях балансу активної та реактивної потужностей, доповнених рівняннями топології електричної схеми заміщення (рис. 2) на різних гармоніках, для кожної з них отримується система з 9 рівнянь. З урахуванням того, що в системі додатково з'являються 6 невідомих параметрів (ортогональні складові струму ротора та струму і напруги контура намагнічування) кількість гармонік, що аналізуються, складає :

Більші можливості для визначення параметрів дають рівняння балансу ортогональних складових гармонік миттєвої потужності при полігармонійному живленні. Для несинусоїдних сигналів миттєва потужність визначається як сума активної (), синусних () та косинусних () складових:

, (4)

де: , відповідно амплітуди гармонік напруги та струму; m, n номери гармонік та M, N - кількість гармонік відповідно напруги та струму, що аналізуються; k - номер гармоніки миттєвої потужності; кутова частота напруги мережі живлення.

Використання принципу суперпозиції дозволяє визначити складові миттєвої потужності, які формуються тільки одночастотними складовими струму та напруги. Це частково відповідає закону збереження енергії, тому що миттєва потужність, зумовлена залежністю p(t)=u(t)i(t), включає як добуток одночастотних компонентів, так і складові з добутків струмів і напруг різних частот (mn).

Таким чином, гармоніки миттєвої потужності, що сформовані як добуток одночастотних гармонік струму і напруги складають тільки частину відповідної гармонік потужності, яка визначена безпосереднім розкладанням експериментальної кривої p(t) в ряд Фур'є (рис. 5). Відповідно до закону збереження енергії виконується обчислення гармонік потужності, що утворені одночастотними (m=n) і різночастотними (mn) складовими як , результати якого збігаються з експериментальним визначенням гармонік миттєвої потужності.

У відповідності до цього для визначення параметрів схем заміщення складається система рівнянь енергетичного балансу активної та ортогональних складових гармонік миттєвої потужності на джерелі живлення та елементах схеми заміщення:

(5)

Такий підхід до складання рівнянь для ідентифікації параметрів дозволив обмежитися числом гармонік

.

Для джерела живлення та елементів схем заміщення отримано в загальному вигляді вирази для гармонік активної потужності, а також для косинусних і синусних складових гармонік миттєвої потужності:

- для джерела:

- для індуктивності:

- для активного опору:

де: амплітуди гармонік струму відповідного контуру порядку m і n;

фазовий зсув складових гармонік напруги;

фазовий зсув складових струмів відповідного контуру;

- функції залежності активних опорів від частоти струму відповідного контуру.

Адекватність розглянутих методів ідентифікації параметрів визначалася шляхом порівняння експериментальної (крива 1 рис. 6) і розрахункових (2…5 рис. 6) кривих струму статора на інтервалі провідності тиристора ТПН. Ступінь співпадання оцінювався за коефіцієнтом детермінації (табл. 1).

Аналіз адекватності визначених параметрів свідчить, що найбільш точні результати отримуються за методом, що грунтується на повних рівняннях балансу складових миттєвої потужності.

Таблиця 1 Електромагнітні параметри АД 4АП1004

Найменування параметра	Метод, що грунтується на аналізі перехідних характеристик (крива 2 рис. 6)	Метод, що регламентований ДСТ 7217-87 (крива 3 рис. 6)	Метод , що грунтується на повних рівнянях балансу складових миттєвої потужності (крива 4 рис. 6)	Метод , що грунтується на повних рівнянях балансу складових миттєвої потужності з додатковими рівняннями (крива 5 рис. 6)
, Ом	1,365	1,365	1,365	1,365
, Гн	6,7610-3	9,1710-3	6,0710-3	6,1310-3
, Гн	0,246	0,173	0,256	0,261
, Гн	6,7310-3	6,8810-3	7,6810-3	5,9410-3
, Ом	1,392	1,6	1,5	1,505
	0,9658	0,777	0,989	0,998

За допомогою математичного моделювання виконано порівняння методів визначення параметрів АД при живленні його від джерела полігармонійної напруги. Отримані результати свідчать про те, що ідентифікація параметрів схем заміщення за повними рівнями ортогональних складових миттєвої потужності дає більш стійкі розв'язання системи рівнянь при наявності похибок вимірювання сигналів струму і напруги.

У третьому розділі розроблено способи отримання додаткових рівнянь для уточнення електромагнітних параметрів машин змінного струму.

Отримані в роботі результати розв'язання різних систем рівнянь при полігармонійному живленні мають різну стійкість до похибок виміряних сигналів струму і напруги. Практика визначення електромагнітних параметрів засвідчила, що для підвищення стійкості розв'язань необхідно зафіксувати деякі параметри або їх поєднання за допомогою додаткових рівнянь, що можуть бути складені за результатами проведення додаткових дослідів.

Так, аналіз полігармонійних сигналів під час вимкнення тиристора ТПН дозволяє визначити еквівалентну індуктивність (рис. 7):

уточнити обчислення гармонік напруги за рахунок кориґування визначення фронтів.

З аналізу напруги статора, наведеної затухаючими струмами ротора у безструмовий проміжок, визначаються сталі часу контурів ротора.

Використання схеми із шунтуючим вентилем (рис. 2), дозволяє одержати додаткові рівняння сталих часу затухання струму статора (проміжок часу (рис. 8)):

Показано, що розширення можливостей використання вентильних схем із шунтуючим тиристором здійснюється під час аналізу перехідних процесів струмів і напруг за середніми значеннями на періоді повторюваності. При цьому в квазіусталеному режимі середнє значення струму намагнічування I за період дорівнює середньому значенню струму статора I1сер (проміжок часу (рис. 8)). У режимі затухання струму статора, після затухання експонентної ділянки кривої струму з малою сталою часу (проміжок часу (рис. 8)), при однакових параметрах статорного та роторного кола струм намагнічування дорівнює подвійному струму статора, або перераховується при відомих значеннях опорів статора та ротора. Визначення миттєвих значень струму намагнічування дозволяє оцінити вплив насичення магнітної системи за шляхом протікання основного магнітного потоку:

Суттєвим недоліком методів визначення параметрів СД є необхідність суміщення просторового положення вісей ротора та системи обмоток статора, що є складним для машин великої потужності. Для розділення параметрів СД на параметри за поздовжньою і поперечною осями розроблено метод визначення просторового положення ротора щодо обмоток статора шляхом впливу змінною синусоїдною напругою на обмотку збудження. Показано, що при впливі на одну з обмоток СД і використанні іншої як датчика напруги можливе визначення параметрів обмоток статора та обмотки збудження.

Результати визначення параметрів (табл. 1) з використанням додаткових рівнянь свідчать, що це дозволяє підвищити точність ідентифікації та стійкість розв'язання системи рівнянь.

Показано, що розроблені методи придатні для ідентифікації електромагнітних параметрів як АД так і СД.

У четвертому розділі розроблено методи визначення втрат потужності у вузлах машин змінного струму при полігармонійному живленні в режимі ненавантаженого двигуна, а також метод визначення втрат у СД під час роботи в режимі компенсатора.

Визначення реального технічного стану електричної машини неможливе без визначення втрат у її вузлах. У роботі обґрунтовано доцільність розповсюдження розроблених методів аналізу схем заміщення при полігармонійному живленні на режим неробочого ходу для визначення втрат у двигунах змінного струму.

Показано, що визначення втрат у вузлах АД і СД при живленні випробуваного двигуна від ТПН за першими гармоніками струму і напруги

дозволяє визначити втрати потужності (рис. 9) і момент тертя в механічних вузлах. Розрахунки, проведені для двигунів змінного струму, засвідчили, що для рівнів напруги, при яких ще не спостерігається помітного падіння частоти обертання вала, сумарний момент від вищих гармонік не перевищує 2,5%, що дозволяє знехтувати впливом моментів від вищих гармонік струму. Для уточнення декомпозиції втрат потужності при відомих механічних втратах здійснюється перерахунок розподілу втрат при синусоїдних напругах та струмах.

Показано, що уточнення значень активного й індуктивного опорів контуру намагнічування необхідно здійснювати за результатами обробки даних досліду неробочого ходу при відомому ковзанні. Ковзання неробочого ходу може бути знайдено без застосування датчиків швидкості шляхом апроксимації початкової ділянки кривої затухаючої напруги при відключенні двигуна від мережі виразом: Показано придатність методу, що базується на рівняннях балансу складових миттєвої потужності на джерелі полігармонійного живлення й елементах схем заміщення, для визначення і розподілу втрат у вузлах двигунів змінного струму. При цьому складаютсяь рівняння енергетичного балансу для гармонік постійної складової потужності:

При використанні перших семи непарних гармонік струму і напруги сумарні теплові втрати визначаються з похибкою, яка менша ніж 1%.

Для СД визначення втрат потужності здійснюється при роботі в режимі компенсатора шляхом аналізу зміни потужності при реґулюванні струму збудження. Показано, що для СД втрати в сталі, визначені в режимі короткого замикання при полігармонійному живленні, містять значну частку втрат у сталі ротора. Розподіл втрат у сталі на втрати в статорі й роторі здійснюється за допомогою визначення кута вибігу ротора з досліду відключення двигуна від мережі (аналогічно до визначення ковзання неробочого ходу). Визначення електромагнітних параметрів і втрат потужності дозволяє оцінити технічний стан електричної машини за рівнем втрат у вузлах і розрахувати її нові паспортні дані. При цьому величина номінального струму статора визначається розрахунковим шляхом як така, що забезпечує рівність сумарних дослідних і розрахованих втрат паспортним втратам двигуна. За відомим значенням ковзання і моменту неробочого ходу визначається жорсткість робочої ділянки механічної характеристики, виходячи з якої при відомому номінальному моменті розраховується номінальне ковзання. У п'ятому розділі розглянуто питання побудови комп'ютеризованого комплексу визначення параметрів машин змінного струму. Підтверджено доцільність застосування ТПН як джерела полігармонійного живлення, який, на відміну від відомих, забезпечує нестандартні режими роботи (однофазний, двофазний, робота одного з вентилів фази тощо). Доведено, що необхідний гармонійний склад напруги і струму, а також струмове завантаження обмоток статора на рівні (0,5…1) номінального струму, буде забезпечуватися при кутах керування, що знаходяться в діапазоні 130…155 ел. градусів і живленні обмоток через ТПН від мережі 0,4 кВ без використання трансформаторного обладнання. Багаторівнева організація розробленої мікропроцесорної системи дозволяє забезпечити рівнобіжне виконання декількох задач у реальному часі: формування складних законів керування тиристорними перетворювачами, опитування датчиків струму і напруги, забезпечення захисту системи керування та двигуна від аварійних режимів роботи. Розрахунок техніко-економічних показників засвідчив доцільність впровадження розроблених методів та обладнання у промислові зразки випробувальних комплексів електроремонтних цехів, що дозволяє вдвічі знизити капітальні витрати на побудову комплексу для визначення електромагнітних та енергетичних параметрів двигунів змінного струму.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена актуальна наукова задача створення високоефективних методів визначення параметрів двигунів змінного струму з використанням складових гармонік миттєвої потужності, що утворені з одночастотних і різночастотних складових гармонік напруги та струму при полігармонійному живленні обмоток статора, що дозволило підвищити точність ідентифікації електромагнітних та енергетичних параметрів електричних машин змінного струму, спростити пристрої визначення параметрів, знизити витрати часу на випробування. Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволяють сформулювати наступні висновки:

Аналіз підходів до оцінювання параметрів електричних двигунів змінного струму засвідчив відсутність обладнання та методів, що адаптовані до умов ремонтних цехів та підприємств. Для реалізації більшості існуючих методів необхідне громіздке та висиковартісне обладнання, вони дозволяють визначити тільки частину параметрів, і лише у вигляді інтегральних величин без розподілу за фазами.

Доведено, що адекватний математичний опис енергопроцесів у двигунах змінного струму при полігармонійному живленні досягається шляхом введення до контуру намагнічування схеми заміщення активного опору, що нелінійно залежить від частоти, та врахуванням ефекту витиснення струму в обмотках ротора. Залежність опору ротора від частоти з похибкою, що на перших п'яти непарних гармоніках не перевищує 11%, визначається за кривою залежності дійсної складової повного комплексного опору фази.

Отримані у загальному вигляді вирази балансу складових гармонік миттєвої потужності на елементах схем заміщення та джерелі живлення дозволяють аналізувати енергопроцеси в машинах змінного струму при полігармонійному живленні. Використання повних рівнянь балансу складових миттєвої потужності у режимах короткого замкнення та неробочого ходу при полігармонійному живленні забезпечує більш високу точність визначення параметрів, стійкість отримуваних розв'язань та меншу чутливість до похибок вимірювання.

Показано, що підвищення ефективності частотних методів визначення параметрів двигунів змінного струму на основі аналізу ортогональних складових гармонік миттєвої потужності досягається завдяки комплексному використанню додаткових інформаційних рівнянь, отриманих шляхом аналізу комутаційних процесів тиристора та аналізу процесів при проведенні досліду затухання струму.

Доведено, що аналіз кривих струму та напруги у схемі з шунтуючим вентилем за середніми значеннями дозволяє врахувати вплив насичення магнітної системи за шляхом протікання основного магнітного потоку шляхом визначення струму намагнічення у квазіусталеному режимі та режимі затухання.

Показано, що визначення та розподіл втрат у АД і СД найпростіше здійснюється під час роботи машин у асинхронному режимі неробочого ходу та живлення статора полігармонійною напругою. Уточнення значень втрат у сталі досягається визначенням ковзання неробочого ходу шляхом аналізу кривої напруги під час вимикання двигуна від мережі живлення.

З'ясовано, що аналіз втрат потужності СД у режимі компенсатора та режимі короткого замикання, визначення кута вибігу ротора на синхронній швидкості дозволяють провести розподіл втрат у сталі на втрати в сталі статора і втрати у сталі ротора.

Доведено, що використання ТПН як джерел полігармонійної напруги має переваги стосовно інших джерел тестових впливів. Отримання необхідного гармонійного складу напруги і струму при одночасному забезпеченні необхідного струмового завантаження обмоток при живленні від промислової мережі без використання трансформаторного обладнання досягається при кутах керування ТПН в діапазоні 130…155 ел. град.

Розроблено структуру обладнання для визначення електромагнітних та енергетичних параметрів двигунів змінного струму, що дозволяє реалізувати та автоматизувати запропоновані методи в умовах електроремонтних цехів і підприємств.

Показано, що впровадження розробленого математичного, програмного та апаратного забезпечення дозволяє вдвічі знизити капітальні витрати на побудову випробувального комплексу для визначення електромагнітних та енергетичних параметрів змінного струму.

ОСНОВНІ НАУКОВІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛІКОВАНІ У НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Родькин Д.И., Черный А.П., Калинов А.П. Современные схемные решения для диагностики параметров синхронных двигателей // Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ. - Вип. 1 (18) .- Кременчук: КДПУ, 2003.- С. 120-126.

2. Калінов А.П., Родькін Д.Й. Апарат діагностики синхронних двигунів. Вісник КДПУ // Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ. - Вип. 2 (19). Том 1. - Кременчук: КДПУ, 2003. - С. 159-166.

3. Калинов А.П. Анализ методов идентификации электромагнитных параметров синхронных двигателей // Зб. наук. праць КНТУ. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. - Вип. 15. - Кіровоград: КНТУ, 2004. - С. 110-119.

4. Калинов А.П. Современные способы определения потерь мощности машин переменного тока // Праці Луганського відділення міжнародної академії інформатизації. №1(10). - Луганськ: СНУ ім. Даля, 2005. - С. 131-136.

5. Родькин Д.И., Калинов А.П., Ромашихин Ю.В. Развитие частотных методов оценки параметров двигателей переменного тока // Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ. - Вип. 4 (33).- Кременчук: КДПУ, 2005. - С. 43-46.

6. Калинов А.П. Разделение потерь в стали синхронных двигателей // Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ. - Вип. 4 (21). - Кременчук: КДПУ, 2003. - С. 52-53.

7. Калинов А.П. Программа послеремонтных испытаний синхронных двигателей // Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ. - Вип. 5 (22). - Кременчук: КДПУ, 2003. - С. 53-55.

8. Калинов А.П., Черный А.П. Рациональные подходы при определении параметров машин переменного тока // Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ. - Вип. 2 (25). - Кременчук: КДПУ, 2004. - С. 115-118.

9. Черный А.П., Родькин Д.И., Сидоренко В.Н., Калинов А.П. Определение параметров АД по непрерывной функции тока статора с дискретным временем // Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ. - Вип. 3 (26). - Кременчук: КДПУ, 2004. - С. 123-127.

10. Деклараційний патент України на винахід 65733 А. G 01 R31/34. Родькін Д.Й., Калінов А.П., Чорний О.П., Живора В.Ф., Аміров А.М. Спосіб діагностики параметрів синхронного двигуна та пристрій для його здійснення. - № 72133 А; Заявл. 02.04.2003; Опубл. 15.04.2004, Бюл. № 4. - 14 с.

11. Деклараційний патент України на винахід 72133 А. G 01 R31/34. Калінов А.П. Спосіб діагностики параметрів синхронного двигуна. - № 72133 А; Заявл. 23.12.2003; Опубл. 17.01.2005, Бюл. № 1. - 12 с.

12. Деклараційний патент України на винахід 62492 А. G 01 R31/34. Родькін Д.Й., Мартиненко В.О., Чорний О.П., Тараненко С.І., Калінов А.П., Аміров А.М. Спосіб випробування асинхронного трифазного двигуна з короткозамкненим ротором та пристрій для його реалізації. - № 62492 А; Заявл. 02.04.2003; Опубл. 15.12.2004, Бюл. № 12. - 14 с.

Размещено на Allbest.ru

...