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.
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.
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 |
Рис. 3. Форма кривой напряжения и его величина при частоте 30 Гц
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).
Рис. 5. Форма кривой напряжения и его величина при номинальной частоте 50 Гц
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].