Экспериментальное исследование машины двойного питания в двигательном режиме работы - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

5648
Экспериментальное исследование машины двойного питания в двигательном режиме работы

На компрессорных станциях магистральных газопроводов и иных промышленных объектах, оборудованных электроприводом, между рабочим механизмом и электродвигателем используют промежуточное звено - редуктор. Существует особый класс электрических машин, применение которых позволило бы исключить редуктор. Это машины двойного питания (МДП). Исследование МДП, имеющих двойную синхронную скорость на валу, т.е. 6000 об/мин при частоте 50 Гц и 2-х полюсным исполнением, имеет весьма большое практическое значение для промышленности, так как позволяет создать безредукторный электропривод мощных центробежных компрессоров и насосов. Использование надежного и экономичного электропривода позволяет более просто осуществлять задачи комплексной автоматизации промышленных объектов.

В лаборатории была исследована МДП в режиме двигателя с параллельным соединением обмоток при питания их от сети промышленной частоты, и при вращении с двойной синхронной скоростью. Исследования проводились с помощью балансирной установки. В этой установке испытываемый двигатель жестко связан через муфту с машиной постоянного тока, корпус которой в определенных пределах мог свободно вращаться относительно вала. Принципиальная схема установки, на которой было проведено экспериментальное исследование, показана на рис.1, на котором обозначены:

- МДП - испытываемая асинхронная машина в режиме двигателя двойного питания;

- МПС и ГПС - машины постоянного тока независимого возбуждения.

Машинапостоянного тока (МПС) служит разгонным двигателем для МДП, а также является динамометром, который позволяет непосредственно измерять вращающий момент МДП и осуществлять её загрузку.

В качестве испытываемой МДП использован серийный асинхронный двигатель с фазным ротором, который имеет следующие данные:

- тип двигателя - АК-52-6;

- мощность Рном = 2,8 кВт;

- схема соединения обмоток статора D/Y;

- напряжение статора 220/380 В;

- ток статора 13,0/7,5 А;

- номинальная скорость вращения вала 920 об/мин;

- КПД – 75,5 %;

- коэффициент мощности cosj= 0,74;

- соединение обмоток ротора Y;

- напряжение 91 В;

- ток 21,2 А.

Машины МПС и ГПС – обычные серийные машины постоянного тока типа ПН-85 с данными: Рном = 5,6 кВт, U = 220 B, Iном = 30 А, n = 1000 об/мин.

Питание ротора R МДП осуществлялось через регулируемый трёхфазный автотрансформатор типа РНТ. Для синхронизации МДП с сетью использованы обычные лампы накаливания, включённые в режим уменьшения яркости в момент синхронизации.

Перед запуском установки необходимо найти прямое вращение поля статора и обратное вращение поля ротора МДП. Для этого выводные концы обмотки ротора R соединяют между собой и МДП запускают как обычный короткозамкнутый электродвигатель подачей напряжения на статор с помощью автоматического выключателя QF1. При этом фиксируют направление вращения ротора двигателя. Затем, осуществляют включение МДП обращённым асинхронным двигателем подачей напряжения на ротор, предварительно соединив между собой выводные концы обмотки статора S. Одинаковое направление вращение ротора в первом и во втором случае соответствует обратному вращению поля ротора, то есть обратному чередованию фаз ротора. Если это условие не выполняется, то меняют местами подключение к фазам сети А, В, С любых двух выводов обмотки статора S или ротора R и вновь проверяют выполнение указанного условия.

Пуск установки осуществляют следующим образом: запускают приводной асинхронный двигатель АД генератора ГПС, резистором R3 устанавливают напряжение 220 В на его зажимах. Включением QF1 подают напряжение на статор S МДП, включением QF2 - на автотрансформатор РНТ. Затем, вращая рукоятку автотрансформатора, устанавливают необходимое напряжение для ротора машины (91 В). При этом лампы накаливания EL горят ровным немигающим светом. Закрепив корпус МПC стопорными винтами, запускают последнюю включением автоматического выключателя QF4 и уменьшением величины резистора R2. Плавно уменьшая магнитный поток МПС резистором R1, разгоняют МДП до двойной синхронной скорости (2000 об/мин).

При повышении скорости вращения МДП частота мигания ламп EL падает. В момент синхронизма (лампы погасли и не загораются) включают автоматический выключатель QF3. После нескольких качаний МДП втягивается в синхронизм с сетью и работает как синхронная машина в двигательном режиме при синхронной скорости вращения, равной 2000 об/мин. На этом пуск установки заканчивается.

Изменением магнитного потока МПС (резистором R1) можно плавно регулировать нагрузку МДП от холостого хода до номинальной и выше. Для этого необходимо освободить стопорные винты, крепящие корпус МПС, что даёт возможность непосредственно измерять вращающий момент МДП, пользуясь шкалой балансирной машины и указательной стрелкой, закреплённой на корпусе нагрузочной машины МПС. Выключателем QF4 можно осуществлять мгновенное включение и отключение любой заранее установленной нагрузки. При этом корпус МПС при толчкообразном набросе нагрузки необходимо закреплять стопорными винтами.

При испытаниях производились измерения тока, напряжения, активной мощности, скорости вращения, вращающегося момента и угла нагрузки и МДП. Измерения в цепи статора осуществлялись при помощи переносного измерительного комплекта типа К-50, а в цепи ротора измерение активной мощности осуществлялось по схеме двух ваттметров типа Д539/4, имеющих пределы измерения по напряжению 75 – 600 В, а по току 5 – 10 А, включённые через трансформаторы тока.

Измерение тока в цепи ротора осуществлялось тремя амперметрами с пределами измерения 0 - 25 А, а для измерения напряжения использовались два вольтметра. Один амперметр со шкалой 0 - 250 В, подключённый к выходу автотрансформатора РНТ, использовался для предварительной установки напряжения, необходимого для ротора МДП. Второй - астатический типа АСТВ с пределами измерения 0 – 150 В был непосредственно подключён к зажимам ротора МДП и использовался конкретно в измерительных целях.

Измерение скорости вращения МДП осуществлялось при помощи стробоскопического устройства типа СТ-5, а измерение угла нагрузки и и исследование колебаний (качаний) МДП - с помощью специального устройства, разработанного автором данной статьи.

Для определения значений тока и мощности холостого хода, механических потерь и потерь в стали, для снятия характеристики намагничивания и определения степени насыщения МДП был проведен опыт холостого хода. Опыт холостого хода проводился по схеме, приведенной на рис.2, с тем лишь изменением, что обмотки статора МДП и автотрансформатора РНТ были включены в сеть через общий индукционный регулятор. Помимо тех рекомендаций, которые дает ГОСТ для проведения опыта холостого хода, нужно иметь в виду, что на холостом ходу при пониженных напряжениях МДП работает неустойчиво и выпадает из синхронного режима работы. Устойчивая работа может быть достигнута, если МДП имеет на валу нагрузку, величина которой может быть незначительной по сравнению с мощностью машины.

 

Методика снятия данных при проведении опыта холостого хода

МДП запускается и незначительно загружается. Индукционным регулятором устанавливается необходимое напряжение на статоре, автотрансформатором РНТ - на роторе (необходимые точки напряжений рассчитывают заранее с учетом постоянства коэффициента трансформации машины). Выключателем QF4 снимается нагрузка с МДП, затем проверяется соответствие установленных точек напряжения на статоре и роторе, если необходимо, то проводят коррекцию, после чего снимают показания приборов и снова (включением QF4) нагружают машину. Аналогично получают другие точки характеристики холостого хода. Сразу же после опыта холостого хода проводят измерение сопротивлений обмоток статора и ротора при помощи измерительного моста. Для цепи статора сопротивление составило 1,153 Ом, для цепи ротора - 0,15 Ом.

Мощность, потребляемая статором МДП на холостом ходу, покрывает потери в меди обмотки статора, в стали и часть механических потерь, то есть:

 

Р1 = РМ1 + РС1 + РМЕХ1                                                   (1)

 

Аналогично для ротора МДП

 

Р2 = РМ2 + РС2 + РМЕХ2           (2)

 

Из этих выражений видно, что МДП не имеет вторичных потерь, т.к. энергия сети подводится и к статору, и к ротору. Для разделения механических потерь и потерь в стали выделяем потери в меди из записанных выше выражений.

В этом случае

 

POS = P1 – PM1 = PC1 + PМЕХ1,           (3)

 

POR = P2 – PM2 = PC2 + PМЕХ2

                                                                            (4)

где POS и POR - потери холостого хода в статоре и, соответственно, в роторе.

Разделение потерь холостого для цепи статора двигателя АК-52-6 в режиме МДП показано на рис.3. Аналогичное разделение потерь проводят для цепи ротора.

Путем разделения потерь получено, что механические потери, покрываемые со стороны статора, составляют 270 Вт, а со стороны ротора - 256 Вт, т.е. имеем фактически равное покрытие механических потерь как со стороны статора, так и со стороны ротора. Общие механические потери МДП составляют 526 Вт, что превышает механические потери АК-52-6 в обычном асинхронном режиме из-за большей скорости вращения двигателя в этом режиме работы.

Коэффициент мощности при холостом ходе МДП для статора определяют по формуле:

 

cosj= P1 / (Ö3U1*I01)            (5)

 

Аналогично определяют коэффициент мощности для ротора. Индуктивные составляющие токов холостого хода для статора и ротора находят из выражений

 

Im1= IO1*sinj1                                                                       (6)

 

Im2= IO2*sinj2.                                                    (7)

Из данных опыта холостого хода и результатов их обработки следует вывод:

ток холостого хода исследуемой машины в режиме МДП остается прежним, следовательно, можно говорить об относительном уменьшении тока холостого хода в два раза, т.к. мощность машины в этом режиме удваивается.

Нарис.3 показаны кривые намагничивания исследуемого двигателя в режиме МДП, где UФ – фазное напряжение двигателя; ЕФ – фазная электродвижущая сила двигателя (ЭДС); Ім – намагничивающий ток двигателя. На рис.4 изображена кривая индуктивного сопротивления взаимной индукции Хm, приведенная к фазе статора, построенная по результатам опыта холостого хода.

Опытное определение рабочих характеристик МДП осуществлялось двумя методами: прямым и косвенным. При определении характеристик прямым методом величина полезного момента непосредственно считывалась со шкалы балансирной машины с учетом поправки, которая находилась опытным путем согласно [2]. Величина полезной мощности определялась по выражению:

 

 

P2 = 0,105 * M2n/1000                                                                                                                (8)

 

где:

М2- полезный момент MДП в ньютонометрах;

n- скорость вращении в об/мин.

КПД двигателя определяют непосредственно по формуле

 

 
 

 


h= P2 / P1       (9)

 

При определении рабочих характеристик косвенным методом потери в стали и механические потери МДП принимались постоянными. Потери в меди обмоток определялись обычным способом [1], КПД МДП - по формуле:

 

 
 

 


h= (P1 - SP) / P1          (10)

 

где :

Р1 - мощность, потребляемая статором и ротором МДП;

SP - сумма потерь в МДП.

Коэффициенты мощности статора и ротора находят из выражений

 

cosj1= P1 / (Ö3U1*I1), cosj2= P2 / (Ö3U2*I2)                                                                           (11)

 

Нагрузка МДП при проведении опыта изменялась при помощи резистора R1 (см. рис.1). При этом фиксировались напряжения, токи статора и ротора МДП, вращающий момент, подведенная к статору к ротору мощность и угол нагрузки и. Результаты исследования прямым методом представлены на рис.6 в виде основных рабочих характеристик

 

h= f(P2) и        cosj= f (P2)              (11)

 

Для удобства сравнения с обычным асинхронным режимом на рис.5,а полезная мощность двигателя дана в киловаттах, на рис.5,б - в процентах. За номинальную мощность двигателя в режиме МДП принята мощность 5,6 кВт, т.к. при этой мощности статор и ротор МДП обтекаются номинальными токами. Из приведенных основных рабочих характеристик асинхронной машины с фазным ротором следует, что серийный асинхронный двигатель в режиме двигателя двойного питания имеет значительно лучшие энергетические показатели, а именно:

1)асинхронный двигатель с фазным ротором в режиме МДП в тех же габаритах увеличивает свою мощность в два раза ( с 2,8 кВт на 5,6 кВт);

2)коэффициент полезного действия (КПД) двигателя значительно возрастает (с 75,5% до 84,5%) , а коэффициент мощности двигателя в режиме МДП - с 0,76 до 0,96.

Исследования МДП на устойчивость работы показали, что она в режиме двигателя работает устойчиво во всём диапазоне нагрузок, начиная с небольшой загрузки и кончая двукратными перегрузками (РНОМ АД = 2,8 кВт, РНОМ МДП = 5,6 кВт, Рmах МДП =11,7 кВт, иmах=42°).Достижение расчётной перегрузки (Рmах МДП = 16,8 кВт) ограничивалось возможностью тормозного устройства.

Толчкообразный наброс нагрузок, даже выше номинальной, не выводит МДП из синхронного режима работы. То же самое можно сказать при внезапном сбросе нагрузки с МДП [5].

Испытания на устойчивость работы МДП выявили также, что время успокоения её колебаний при набросе нагрузки значительно меньше времени успокоения при сбросе. Это подтверждает теоретические выводы о том, что МДП при работе на холостом ходу более близка к неустойчивому состоянию. Снижение напряжения питающей сети и работа МДП на холостом ходу приводит к возникновению колебаний (качаний), так что при этих условиях работу их нужно считать неустойчивой. Очевидно, что именно этим явлением и объясняется распространённое мнение о склонности МДП к незатухающим колебаниям. Небольшая загрузка (до 0,1 РНОМ для исследуемого двигателя типа АК-52-6) полностью устраняет колебания и МДП работает устойчиво – без качаний и выпадения из синхронного режима работы.

 

Выводы

1. Проведенные экспериментальные исследования серийного асинхронного двигателя типа АК-52-6 с фазным ротором при работе в режиме двойного питания при двойной синхронной скорости, т.е. в режиме машины двойного питания (МДП), подтверждают высокие технико-экономические показатели этого класса машин. Они имеют высокий КПД, превышающий КПД обычного режима, что объясняется отсутствием у этих машин вторичных потерь (потери во вторичной обмотке трансформатора, потери в роторе асинхронного двигателя, потери на возбуждение синхронной машины). У МДП вторичных потерь по принципу работы вообще нет, т.к. статор и ротор являются первичными, обмотки которых подключены непосредственно к одной общей сети.

2. МДП отличаются высокими значениями коэффициента мощности (cosj), что связано с совместным действием двух систем питания по созданию общего магнитного потока машины.

3. МДП развивает двойную мощность по сравнению с асинхронной машиной в тех же габаритах и имеет двойную синхронную скорость вращения при промышленной частоте 50 Гц, что позволяет получить одну не стандартную скорость вращения, равную 2000 об/мин.

4. Установлено, что МДП практически при любых нагрузках могут работать устойчиво. Это подтверждают и осциллограммы сброса и наброса нагрузки при работе МДП.

Переходные процессы у МДП, связанные с изменением нагрузки, - периодические и точно так же, как и у обычных синхронных машин, они – затухающие.

При понижении напряжения питающей сети и работе МДП на холостом ходу, возникают колебания (качания), так что при этих условиях работу их нужно считать неустойчивой.

5. Качество рабочих характеристик, возможность устойчивой работы обычных серийных асинхронных двигателей с фазным ротором в режиме МДП показали, что этот класс электрических машин может служить компактным и экономичным преобразователем энергии. Он применяться практически не только в качестве высокоскоростного привода (n =6000 об/мин) при промышленной частоте 50 Гц, но и при обычных стандартных скоростях вращения с получением дополнительной скорости в 2000 об/мин.

 

Литература:

1. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. Госэнергоиздат, 1959.

2. Нюрнберг В. Испытания электрических машин. Госэнергоиздат, 1959

3. Коломойцев К.В. Включение синхронного генератора на параллельную работу с сетью и о машине двойного питания // Электрик. – 2004. - №10. – С.11-12.

4.Коломойцев К.В. Энергетические возможности машин двойного питания//Электрик. – 2008. - №5. – С.48.

5. Коломойцев К.В. Устройство для измерения угла нагрузки и исследования колебаний машины двойного питания при синхронной скорости // Электрик. – 2011. №11. – С.37-39.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus