Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ANALYSIS OF INDICATORS THE ELECTRIC POWER QUALITY AT THE WORK ASYNCHRONOUS MOTOR FROM A FREQUENCY CONVERTER

Semenov A.S. 1 Bondarev V.A. 1
1 Polytechnic Institute (branch) «NEFU name after M.K. Ammosov»
This scientific article is devoted to the issues of research and analysis of electric energy quality parameters during operation of the induction motor from the inverter in the laboratory of electromagnetic compatibility and quality of electric energy of the Department of electrification and automation of mining Polytechnic Institute (branch) of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education «North-East federal University named after M.K. Ammosova» in Mirny. The tasks of measurement and analysis of power quality. The problems of power quality standards. The list of measured characteristics. Produced review of modern instrumentation. Powered by software description for the measured indicators of quality of electric power. We obtained and analyzed the results of measurements. Research subject to operating voltage, the voltage of the fundamental frequency, form and voltage values as a function of varying the frequency converter, the coefficients of n-th harmonic voltage components. The conclusions and opinions on the results. This study can be continued in the form of comparisons of measurement data obtained before the power quality at the three-phase induction motor from the network [12] and do the simulation mode of operation of the induction motor by using MatLab software package.
indicators of quality of electric energy
energy audits
electromagnetic compatibility
voltage deviation
harmonics
modeling
1. Bondarev V.A., Semenov A.S. Otsenka osnovnykh faktorov energosberezheniia // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2014. no. 5–1. рр. 228–229.
2. GOST 32144-2013 Elektricheskaia energiia. Sovmestimost tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaia. Normy kachestva elektricheskoi energii v sistemakh elektrosnabzheniia obshchego naznacheniia. 2014. FGUP «Standartinform». 16 р.
3. Kartashev I.I., Tulskii V.N., Kuznetsov N.M., Semenov A.S. Monitoring pokazatelei kachestva elektricheskoi energii v sistemakh elektrosnabzheniia gornykh predpriiatii / monografiia. Moskva, 2013. 142 р.
4. Kuznetsov N.M., Bebikhov Iu.V., Samsonov A.V., Egorov A.N., Semenov A.S. Kachestvo elektricheskoi energii gornykh predpriiatii / monografiia. Moskva, 2012. 68 р.
5. Kuznetsov N.M., Semenov A.S. Razrabotka sistemy monitoringa dlia izmereniia pokazatelei kachestva elektroenergii na gornykh predpriiatiiakh // Fundamentalnye issledovaniia. 2013. no. 4–2. рр. 295–299.
6. Kuznetsov N.M., Semenov A.S. Sistema monitoringa pokazatelei kachestva elektroenergii primenitelno k almazodobyvaiushchemu podzemnomu rudniku // V sbornike: V mire nauchnykh otkrytii materialy IV mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii (24 iiunia 2012 g.): sbornik nauchnykh trudov. Tsentr nauch. mysli; pod nauch. red. S.P. Akutinoi. Moskva, 2012. рр. 146–149.
7. Kuznetsov N.M., Semenov A.S., Bebikhov Iu.V., Rybnikov A.V. Rezultaty monitoringa pokazatelei kachestva elektricheskoi energii potrebitelei podzemnogo rudnika // Gornyi zhurnal. 2014. no. 1. рр. 23–26.
8. Kuznetsov N.M., Semenov A.S., Bebikhov Iu.V., Samsonov A.V., Egorov A.N., Shipulin V.S., Rushkin E.I. Razrabotka i vnedrenie sistemy monitoringa pokazatelei kachestva elektricheskoi energii dlia snizheniia energoemkosti proizvodstva i povysheniia effektivnosti raboty elektrooborudovaniia. Otchet o NIR no. VKGOKP 96 4830 3 ot 01.01.2010 (Ministerstvo obrazovaniia i nauki RF), 2012. 122 р.
9. Kuznetsov N.M., Semenov A.S., Shipulin V.S. Teoreticheskie osnovy vybora pokazatelei kachestva elektricheskoi energii po obespecheniiu elektromagnitnoi sovmestimosti v raspredelitelnykh sistemakh elektrosnabzheniia. Otchet o NIR no. Kod GRNTI 52.01.84 (Severo-Vostochnyi federalnyi universitet im. M.K. Ammosova), 2012. 85 р.
10. Semenov A.S. Razrabotka sistemy monitoringa pokazatelei kachestva elektroenergii gornykh predpriiatii // Tekhnicheskie nauki ot teorii k praktike. 2012. no. 11. рр. 68–73.
11. Semenov A.S., Bondarev V.A. Vybor kontrolno-izmeritelnoi tekhniki dlia registratsii pokazatelei kachestva elektroenergii // Mezhdunarodnyi studencheskii nauchnyi vestnik. 2015. no. 3–4. рр. 414–416.
12. Semenov A.S., Matul G.A., Khaziev R.R., Shevchuk V.A., Cherenkov N.S. Analiz pokazatelei kachestva elektricheskoi energii pri rabote asinkhronnogo dvigatelia ot trekhfaznogo istochnika pitaniia // Fundamentalnye issledovaniia. 2014. no. 9–6. рр. 1210–1215.
13. Semenov A.S., Kuznetsov N.M. Analiz rezultatov monitoringa pokazatelei kachestva elektricheskoi energii v podzemnom rudnike // Izmeritelnaia tekhnika. 2014. no. 4. рр. 31–34.
14. Semenov A.S., Samsonov A.V., Bebikhov Iu.V., Matul G.A. Izmerenie i analiz pokazatelei kachestva elektricheskoi energii potrebitelei promyshlennykh predpriiatii // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2015. no. 6 (84). рр. 446–450.
15. Semenov A.S., Samsonov A.V., Matul G.A., Cherenkov N.S., Zagolilo S.A., Martynova A.B. Issledovanie kachestva elektroenergii pri provedenii energoaudita uchebnogo korpusa // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2015. no. 10 (88). рр. 331–334.
16. Kuznetsov N.M., Semenov A.S., Bebikhov Yu.V., Rybnikov A.V. Results of monitoring of indicators of electric power quality of underground mine consumers // Gornyi Zhurnal. 2014 (1), pp. 23–26.
17. Semenov A.S. Development of monitoring system for measuring the quality of electrical energy on the mining industry // V sbornike: Applied and Fundamental Studies Proceedings of the 1st International Academic Conference. Edited by Yan Maximov. 2012. рр. 301–304.
18. Semenov A.S. Lower the economic losses in electric networks // Mezhdunarodnyi zhurnal eksperimentalnogo obrazovaniia. 2013. no. 12. рр. 57–59.
19. Semenov A.S. Measurement and analysis parameters quality of electric energy on the mining enterprises // Nauka i tekhnologii. 2014. no. 3. рр. 22–28.
20. Semenov A.S., Kuznetsov N.M. An analysis of the results of monitoring the quality of electric power in an underground mine // Measurement Techniques. 2014.

Электрическая энергия как товар используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. Понятие качества электроэнергии (КЭ) отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник (ЭП) предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальных частоте, напряжении, токе и т.п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое КЭ [8]. Таким образом, качество электрической энергии определяется совокупностью ее характеристик, при которых ЭП могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции [9].

К основным задачам измерения и анализа показателей качества электроэнергии (ПКЭ) относится: обнаружение помех и их оценка; регистрация измеренных числовых характеристик в целях обработки и отображения результатов; оценка измеренных значений показателей качества электроэнергии на соответствие установленным требованиям; определение источника помех; проведение коммерческих расчетов между поставщиком и потребителем электроэнергии [1, 18]. Для организации измерений необходимо определить вид контроля, точку осуществления измерений и виды контролируемых ПКЭ. В зависимости от длительности наблюдения можно выделить два вида организации контроля КЭ: периодический и постоянный [3, 4]. Отличие постоянного контроля от периодического заключается в непрерывности времени измерений и обработки результатов.

Возможны два варианта реализации поставленной задачи по измерению и анализу ПКЭ: система мониторинга, основанная на методах виртуального моделирования физических процессов; система мониторинга, основанная на применении контрольно-измерительных приборов [11]. На сегодняшний день методы виртуального моделирования широко применяются во всех областях науки и производства, так как они позволяют оперативно и с наименьшими затратами определить определенные параметры конечного результата. Особенно широко виртуальное моделирование применяется в проектной деятельности. Основным преимуществом второго варианта системы мониторинга ПКЭ является высокая точность, так как метод основан на измерениях физических величин [6, 10, 17, 19]. Также исследования, направленные на использование этого метода, позволяют определить принципиально новые требования к приборам учета и мероприятиям, обеспечивающим оптимизацию ПКЭ [5, 7, 13, 16, 20].

Современные анализаторы ПКЭ должны обеспечивать измерение следующих характеристик в соответствии с требованиями действующего в настоящее время ГОСТ 32144-2013 [2]: отклонение частоты, медленные изменения напряжения, колебания напряжения и доза фликера, несинусоидальность напряжения, в том числе гармонические составляющие, несимметрия напряжения, прерывания напряжения, провалы и перенапряжения, импульсные напряжения.

Измерения ПКЭ и их дальнейший анализ при работе асинхронного двигателя от преобразователя частоты проводились с использованием средств измерений серии Circutor и программного обеспечения типа Power Vision. Анализатор Circutor AR.6 имеет 5 входов по напряжению что соответствует 3 фазам, нейтрали и земли – U1, U2, U3, UN, UEARTH) и 5 входов по току, что соответствует 3 фазам, нейтрали и току утечки одновременно – I1, I2, I3, IN, IK.

На рис. 1 показан измерительный стенд: трёхфазный источник питания, преобразователь частоты, асинхронный двигатель, прибор Circutor AR.6 с подключенным соединением.

pic_103.tif

Рис. 1. Измерительный стенд с прибором Circutor AR.6

Входы напряжения и каждый вход тока гальванически изолированы между собой, что позволяет подключать прибор последовательно с другими устройствами (счетчиками электроэнергии, регистраторами и т.п.). Для измерения в схемах с двумя трансформаторами тока применяется специальный режим, когда отсутствующий ток рассчитывается на основании измеряемых. Измерители могут быть использованы в качестве образцовых счетчиков электроэнергии при проверке (или поверке) счетчиков электроэнергии классов точности 0,5 и менее точных на месте эксплуатации. Устройства считывания подключаются к интерфейсу USB измерителя.

В качестве схемы измерения была выбрана трехфазная четырехпроводная система, так как она соответствует одной из схем подключения анализатора Circutor AR.6 (рис. 2, а). Все полученные данные измерялись с интервалом 1 мс и имеют очень большой объем в табличном эквиваленте. Для получения усредненных графиков измерения воспользуемся методикой обработки и анализа результатов программного обеспечения Power Vision Plus (рис. 2, б). Оно предназначено для чтения всех архивируемых значений параметров с измерителей ПКЭ типа Circutor, их отображения, сохранения и экспорта в другие приложения. Также обеспечивает работу с файлами, записанными измерителями Circutor, непосредственно на устройство посредством подключения по каналу USB.

В качестве электродвигателя использовался трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором марки АИР56А4УЗ, параметры которого приведены в таблице.

pic_104.tif pic_105.tif

а б

Рис. 2. а – трехфазная четырехпроводная схема измерения напряжения (220/380 В); б – внешний вид окна приложения Power Vision Plus

Технические данные асинхронного двигателя АИР56А4УЗ

Наименование параметра

Значение

Высота оси вращения вала h

56 мм

Мощность Pн

0,12 кВт

Синхронная скорость вращения n1

1500 об/мин

Номинальная скорость вращения nн

1350 об/мин

КПД η

0,63

Коэффициент мощности cosφ

0,66

Номинальное напряжение Uн

220/380 В

Номинальный ток Iн

0,76/0,44 А

Соединение обмоток

Y/Δ

Число пар полюсов 2p

2

Класс изоляции

В

Режим работы

S1

pic_106.tif

Рис. 3. Форма кривой напряжения и его величина при частоте 30 Гц

pic_107.tif

Рис. 4. Форма кривой напряжения и его величина при частоте 40 Гц

В качестве результатов измерений приведем данные об изменениях формы кривых напряжения в зависимости от частоты и график гармонических составляющих.

1. На рис. 3 приведена форма кривой напряжения при частоте 30 Гц. Наблюдаются значительные искажения синусоидальной формы, величина напряжения не соответствует допустимым параметрам (188 В вместо 228 В, при отношении частоты 0,6 к номинальной, что на 8 % больше допустимого отклонения).

2. На следующем рисунке приведена форма кривой напряжения при частоте 40 Гц. Наблюдаются незначительные искажения синусоидальной формы, величина напряжения соответствует допустимым параметрам (307 В вместо 304 В, при отношении частоты 0,8 к номинальной).

3. На рис. 5 приведена форма кривой напряжения при номинальной частоте 50 Гц. Наблюдаются незначительные искажения синусоидальной формы, величина напряжения не соответствует допустимым параметрам (334 В вместо 380 В, что на 3 % больше допустимого отклонения).

pic_108.tif

Рис. 5. Форма кривой напряжения и его величина при номинальной частоте 50 Гц

pic_109.tif

Рис. 6. Коэффициенты n-х гармонических составляющих

4. На рис. 6 приведен график коэффициентов n-х гармонических составляющих. Видно, что все три нечетные гармоники некратные трем соответствуют нормам и не превышают допустимых показателей: 5-я гармоника – 4,5 % (допустимо – 6 %), 7-я гармоника – 1,3 % (допустимо 5 %), 11-я гармоника – 0,9 % (допустимо – 3,5 %).

В заключение подведем итоги по соответствию измеренных показателей качества электроэнергии [15] при работе асинхронного двигателя от преобразователя частоты требованиям ГОСТа. Соответствие качества электроэнергии выполняется: по коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения, по форме и величине кривой напряжения при частоте 40 Гц; не выполняется: по форме и величине кривой напряжения при частоте 30 Гц, по величине напряжения при номинальной частоте 50 Гц. Таким образом, можно отметить, что в целом при работе асинхронного двигателя от преобразователя частоты наблюдаются несоответствия качества электрической энергии, связанные с искажением синусоидальности кривой напряжения и в некоторых случаях с медленными изменениями величины напряжения в недопустимых пределах. Исследования по измерению ПКЭ при работе асинхронного двигателя от преобразователя частоты будут продолжены на промышленных установках [14].