книги / Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 , Пермь, 3-7 октября 2016 г

В статье приведен анализ основных аспектов энергосбережения при внедрении регулируемых электроприводов центробежных механизмов. Предлагаются методы расчета энергетических показателей для определения энергоэффективности модернизации существующих и проектирования новых насосных агрегатов.

The article provides an analysis of the main aspects of energy saving in the implementation of regulated electric centrifugal machines. The methods of calculating the energy performance to determine the energy efficiency modernization of existing and design of new pumping units.

Ключевые слова: регулируемый привод, энергосбережение, центробежный механизм, дросселирование, асинхронный электропривод.

Keywords: controlled drive, energy saving, centrifugal

центробежного агрегата и исключить указанные потери. Применяя регулируемый привод, можно напрямую плавно управлять скоростью вращения рабочего колеса ЦН и тем самым обеспечить требуемые значения расхода и подачи без использования дросселирующей арматуры. Последняя устанавливается только для вспомогательных целей и в процессе перекачки полностью открыта, что снижает общее гидравлическое сопротивление системы. Поскольку на долю центробежных насосов (ЦН), вентиляторов, воздуходувок и т.д. приходится, по разным источникам, 20..35 % электроэнергии, потребляемой в промышленности, перевод центробежных механизмов на регулируемые системы привода является важным направлением политики энергосбережения в промышленности [1].

mechanism, throttling, asynchronous electric drive.

ВВЕДЕНИЕ

Центробежные механизмы (ЦМ) являются наиболее массовыми потребителями электрической энергии. Эти установки широко распространены во всех отраслях промышленности и выполняют как основные технологические, так и вспомогательные функции. В настоящее время регулирование режимов работы центробежных агрегатов осуществляется в основном с помощью регулирующей запорной арматуры – задвижек, заслонок и пр. (дросселированием) – при постоянной скорости приводного двигателя. Это приводит к значительным потерям мощности в регулирующих элементах, связанных с преодолением дополнительных гидравлических сопротивлений. Величина таких потерь зависит от глубины регулирования выходных параметров – напора и подачи и могут достигать 50 % потребляемой механизмом мощности. Современный уровень развития автоматизированного электропривода позволяет передать функции управления непосредственно электроприводу

АСПЕКТЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Это первый и наиболее важный аспект перевода ЦМ на регулируемый привод, который известен давно и очевиден.

При расчетах эффективности внедрения регулируемых электроприводов часто учитывается только указанный эффект [3].

На рис. 1 представлены значения КПД ЦН при пониженных частотах вращения, полученные с использованием формул гидравлического подобия. Авторами отмечалось это обстоятельство, однако для сетей с противодавлением предлагались достаточно сложные методы оценки изменения КПД ЦН при регулировании частоты вращения. Поскольку потери в ЦН составляют существенную долю общих потерь агрегата, важно получить инструмент их аналитической оценки при планировании и проектировании модернизации насосных агрегатов.

Кривая КПД, рассмотренная ранее, представляет собой характеристику потерь в ЦН при постоянной час-

тоте вращения и регулировании подачи каким-либо другим способом. При отсутствии противодавления, в соответствии с формулами подобия, значение КПД ЦН при регулировании производительности скоростью рабочего колеса, остается постоянным. При регулировании частоты вращения рабочего колеса ЦН точки установившегося режима работы расположены на характеристике трубопровода и полезная мощность трубопровода определяется как [4]

где НТP – давление нa входе тpубoпpoвoдa пpи пpoизвoдительнocти QТP;

Нc – cтaтичеcкий нaпop, oбуcлoвленный paзнocтью уpoвней нaчaлa и кoнцa тpубoпpoвoдa.

Для обеспечения подачи Q вал вращается с частотой

ω* = Q*2 + Hc* H0*

и механическая мощность на валу, по закону гидравлического подобия, определяется по формуле

Относительное значение КПД при регулировании подачи можно определить, как

При отсутствии дополнительных потерь на регулирование относительный КПД считаем равным, т.е. абсолютное значение КПД равно номинальному.

На рис. 2 представлены расчеты мощностей и КПД ЦН при работе насоса на сеть без статического напора и с противодавлением, рассчитанные по выражениям (1), (2), (3). При НС = 0, η* = 1 во всем диапазоне регулирования подачи, при наличии противодавления КПД изменяется в соответствии с выражением (3).

Рис. 3. Относительный КПД ЦН при регулировании частотой вращения: 1 – НС = 0; 2 – НС = 0,2; 3 – НС = 0,4; 4 – НС = 0,4

На рис. 3 приведены расчетные кривые КПД регулируемого по частоте вращения ЦН для различных значений статического напора и экспериментально полученная характеристика КПД. Рисунок иллюстрирует достаточно высокую точность предлагаемого аналитического способа расчета (погрешность не превышает 6,5 %).

Абсолютное значение КПД ЦН определяется как произведение относительного КПД на номинальное значение:

ηцн = η*ηцн ном

Еще об одном аспекте проблемы. Одной из наиболее эффективных возможностей энергосбережения является создание объектно-ориентированных систем электропривода, максимально учитывающих параметры и специфику работы приводного механизма.

Сопоставительный анализ систем регулируемого электропривода позволил определить два варианта, наиболее полно отвечающих специфическим особенностям работы ЦН. Это приводы на базе асинхронного двигателя – «преобразователь частоты – асинхронный двигатель» («ПЧ – АД») и схемы регулирования по цепи ротора, самым перспективным вариантом которых является машина двойного питания (МДП). Следующим этапом является оптимизация энергетических и эксплуатационных показателей этих систем электропривода при работе

на центробежную нагрузку, включающая в себя выбор или разработку схемных решений, синтез законов и алгоритмов управления, минимизирующих энергопотребление. Для этого нами разработаны методы расчета и анализа электромагнитных и электромеханических процессов, эксплуатационных и энергетических показателей различных систем асинхронного электропривода в статических и динамических режимах работы центробежных механизмов [4, 7].

При частотном управлении значение электромагнитного момента зависит от частоты и величины напряжения, приложенного к статору электрической машины. Законы частотного управления – это соотношения между частотой ω1 и напряжением U1, подаваемыми на статор двигателя АД, обеспечивающие заданные статические характеристики привода. Распространенным на практике является регулирование при постоянном магнитном потоке (U1/ω1 = const). С точки зрения энергетики привода этот вариант может быть использован только при постоянной нагрузке, так как с уменьшением последней поток становится избыточным, что приводит к завышению потерь и неоптимальности этого закона регулирования при переменном моменте нагрузки.

Наличие двух независимых каналов управления дает возможность реализовать в системах частотного регулирования оптимальное управление. Первым из таких вариантов является закон сохранения постоянной перегрузочной способности двигателя, предложенный академиком М.П. Костенко. Им впервые пояснено, как надо изменять напряжение, когда двигатель с номинальной частоты питания ω1Н переходит на пониженное (повышенное) значение частоты ω1, и что для выяснения нового значения напряжения необходимо учитывать свойства нагрузки. Управляя двигателем в соответствии с выражением (4) при ненасыщенной магнитной системе машины, можно сохранить практически неизменным коэффициент мощности и абсолютное скольжение привода, а его КПД-независимым от изменения скорости.

Разработка энергосберегающих систем электропривода в значительной степени сводится к определению алгоритмов управления, минимизирующих потери в отдельных элементах этих систем во всех режимах их работы [4]. Главным из таких объектов в частотно-регулируемом электроприводеЦНявляется асинхронныйдвигатель.

Потери мощности в АД определяются как

где ∆РЭ1, ∆РЭ2 – электрические потери в обмотках соответственно статора и ротора; ∆Рст – потери в стали статора; ∆Рмех – механические потери; ∆Рдоб – добавочные потери.

Составляющие потерь имеют различную природу, различный вес в приведенном балансе и по-разному зависят от параметров и режимов работы двигателя. Анализ показывает, что в отличие от нерегулируемого АД, в двигателе с частотным управлением все составляющие потерь являются функцией частоты питающего напряжения, момента нагрузки и магнитного потока.

Суммарные потери мощности регулируемого АД, группируя их составляющие, можно записать, как

Рис. 4. Оптимальные значения потока частотно-регулируемого АД в приводе ЦН

На рис. 4 приведены зависимости Фопт (ω), рассчитанные для привода ЦН по предлагаемой методи-

ке (кр. 1) и при упрощенной механической характеристике ЦН М = ω3/2 (кр. 2). Для сравнения здесь же

показана кривая 3, полученная для линейной зависимости М (ω). Данные получены при весовых коэффициентах kЭ = 0,55, kст = 0,3. Учет параметров насоса и трубопровода позволяет в значительной мере уточнить расчет.

На рис. 5 представлены рабочие характеристики АД – момент, полезная и потребляемая мощность, мощность потерь. При использовании предложенного оптимального, по минимуму потерь, закона частотного управления значение КПД во всем диапазоне регулирования подачи ЦН остается высоким и равным номинальному.

Рис. 5. Рабочие характеристики АД в диапазоне регулирования ЦН при оптимальном частотном регулировании

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Авторами предложена методика оценки изменения КПД центробежных насосов при регулировании частоты вращения рабочего колеса, позволяющая достаточно просто рассчитать потери в ЦН на стадии проекта. Для регулируемого электропривода ЦН разработаны методика и программа расчета оптимального, по минимуму потерь в двигателе, значения магнитного потока Фопт (ω) с учетом параметров АД, насоса и трубопровода.

Результаты позволяют реализовать энергосберегающие режимы работы электроприводов ЦН и могут быть использованы при их проектировании.

Библиографический список

1.Zakon Respubliki Kazakhstan ob energosberezhenii i povyshenii

energoeffektivnosti [Law of the Republic of Kazakhstan on energy saving and increasing of energy efficiency from 13th January, 2012 № 541]. Legislation of the Republic of Kazakhstan.

2.Zakon Respubliki Kazakhstan o vnesenii dopolnenii v nekotoryie zakonodatelnyie akty Respubliki Kazakhstan po voprosam energosberezhenia i povyshenii energoeffektivnosti [Law of the Republic of Kazakhstan about introduction of amendments to some legislative acts

of the Republic of Kazakhstan on the questions about energy saving and increasing of energy efficiency from 13th January, 2012 № 541]. Legislation of the Republic of Kazakhstan.

3.Instruktsia po raschetu ekonomicheskoi effektivnosti primenenia chastotno-reguliruemogo elektroprivoda [Instruction on calculation of economic efficiency of using of frequency adjustable electric drive]. Moscow – Adopted by Deputy Minister of Fuel and Energy of the Russian Federation 03.04.97.

4.Mustafin M.A., Mustafin Y.M. Energosberegaiushie sistemy elektroprivoda tsentrobezhnykh nasosnykh agregatov (monography) [Energy

saving systems of electric drives of centrifugal pump aggregates]. Almaty. 2009. 248 p.

5.Mustafin M.A., Almuratova N.K. Tezisy dokladov 9-oi mezhdunarodnoi konferentsii “Energetika, telekommunikatsia i vysshee obrazovanie v sovremennykh usloviakh”. Reguliruiemyi elektroprivod tsentrobezhnykh agregatov [Abstarcts of 9th International scientifictechnical conference “Power engineering, telecommunication and higher education in modern conditions”. Adjustable electric drive of centrifugal aggregates. Aspects of energy saving]. AUPET, Almaty. 2014.

6.Rick J. and Chaiko Y. (2008) “Solar Tracking System: More Efficient Use of Solar Panels”, World Academy of Science.

7.Scopus. Krupneishaia v mire baza dannykh referatov i tsitirovania [The largest abstract and citation database of reports and citation]. URL: http: //elsevierscience.ru/products/scopus/.

8.Mustafin M.A., Mustafin Y.M., Koshimbaev G.B. Regulirovanie electroprivoda nasosa po minimum poter v obmotkah dvigatelia [Regulation of pump electric drive by minimum of losses of motor coil]. Almaty: AUPET, 2000.

Department of Electric Drives Moscow Power Engineering

Institute, Moscow, Russian Federation

Статья посвящена ключевым моментам, сопряжённым с внедрением или модернизацией электропривода электромеханических комплексов для испытаний различных технологических установок (трансмиссий вертолётов, подруливающих устройств и дозвуковых аэродинамическая труб). Материалы статьи подкреплены экспериментальными исследованиями.

The key moments related to implementation or modernization of the existing electric drives of electromechanical complexes for tests of various technological installations (transmissions of helicopters, bow thrusters and subsonic wind tunnels) are considered in this paper. Materials of the paper are supported with the experimental studies.

Ключевые слова: электротехника, преобразователи переменного тока, преобразователи постоянного тока, электромеханические системы, подчинённое регулирование, силовая механическая трансмиссия, вентиляторы.

Keywords: electrical engineering, AC-AC converters, AC-DC converters, electromechanical systems, closed loop systems, mechanical power transmission, fans.

ВВЕДЕНИЕ

Рассматриваемые в статье испытательные стенды можно разделить по способу создания механической нагрузки на валу электродвигателя на две группы:

1.Стенды, основанные на взаимной нагрузке электрических машин, реализующих заданные значения крутящих моментов, скоростей и нагрузок в агрегатах испытуемой технологической установки (электромеханический комплекс для испытаний главного редуктора вертолета серии МИ на предприятии АО «МВЗ им. М.Л. Миля»);

2.Стенды, в которых нагрузка исполнительных органов (вентиляторы аэродинамической трубы установки Т-102 центрального аэрогидродинамического института им. Н.Е. Жуковского (ФГУП «ЦАГИ»)) или объекта испытаний (винт подруливающего устройства

Research and production center “Elektroprivod-Industriya”, Moscow, Russian Federation

на опытном заводе «Вега» г. Боровск) обеспечивается за счет вентиляторов или натурных винтов, а привод осуществляется от электрического двигателя.

I. СТЕНД ИСПЫТАНИЙ ГЛАВНОГО РЕДУКТОРА

Была выполнена модернизация специализированного электромеханического комплекса для испытания главного редуктора вертолета серии МИ. До этого времени привод испытательного стенда осуществлялся от двигателей постоянного тока независимого возбуждения с системой реостатного пуска. При проектировании был выбран асинхронный частотно-регулируемый электропривод на основе преобразователей частоты серии Sinamics G-150 и низковольтных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором фирмы Siemens. На рис. 1 представлена функциональная схема силовой части электропривода стенда.

Здесь главный редуктор ГР имеет два входных вала с приводом от гонных асинхронных двигателей АД1, АД2 (двигатели потерь, которые после пуска стенда компенсируют потери в различных элементах электромеханического комплекса) типа 1LA8455-2PM70

(Рн = 875 кВт, Uн = 690 В, Iн = 751 А, nн = 2987 об/мин,

Мн = 2558 Нм). Двигатели питаются от преобразова-

телей частоты ПЧ типа 1Р6SL3710-1GH38-1AA3-Z

(Рн = 710 кВт, Uн = 690 В, Iн = 810 А).

Управление преобразователями выполняется со стороны пульта управления ПУ (сигналы Uу1, Uу2). Питание ПЧ осуществляется со стороны вторичной обмотки согласующего трансформатора ТР1 типа

TR-2500/6/0.69 (D/Yn-11) (Sн = 2500 кВА, U1н = 6000

В, U2н = 690 В, Iн = 2092 А). Первичная обмотка трансформатора подключается к сети 6 кВ масляным выключателем Q1. После пуска электромеханического комплекса от двух асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором АД1 и АД2 роль приводных двигателей исполняют асинхронные двигатели с фазным

Рис. 1. Функциональная схема электропривода стенда для испытания вертолётной трансмиссии

ротором НМ1 и НМ2, статоры которых подключены к внутренней сети стенда. Загрузка главного редуктора осуществляется путём регулирования возбуждения синхронных генераторов G1-G5 посредством тиристорного возбудителя ТВУ.

Нагрузка хвостового редуктора, входящего в электромеханический комплекс, изменяется посредством регулирования сопротивления ротора асинхронного генератора G6, цепь ротора которого через мостовой выпрямитель соединена с генератором нагрузки хвоста ГНХ, возбуждение которого регулируется тиристорным преобразователем ТП. ГНХ приводится во вращение асинхронным двигателем нагрузки хвоста АДНХ.

В соответствии с техническими требованиями к электроприводу стенда за счет высокой жесткости механической характеристики асинхронных электродвигателей АД1 и АД2 оказалось достаточным применение разомкнутой системы скалярного управления переменными электропривода.

Характерной особенностью, которую необходимо было учитывать при проектировании и параметрировании гонного асинхронного электропривода, была большая инерционная масса его нагрузки. Поскольку при торможении привода на короткое время появляется генераторная энергия, поэтому во избежание перенапряжения на конденсаторе фильтра в звене постоянного тока, было установлено время торможения привода равное 300 с.

Рис. 2. Экспериментальная зависимость частоты вращения электродвигателя АД1 от времени

Рис. 3. Экспериментальная зависимость тока статора электродвигателя АД1 от времени

В ходе плановых испытаний вертолётной трансмиссии были сняты осциллограммы основных параметров гонного электропривода. На рис. 2 представлена экспериментальная зависимость скорости электродвигателя АД1 привода трансмиссии при его разгоне и задании нагрузки. При разгоне двигателя до рабочей частоты вращения n = 2755 об/мин ток статора IS достигал 500 А (рис. 3). При приложении нагрузки на валу двигателя значение его установившейся частоты вращения изменялось не более чем на 0,5 % от заданной.

Результаты модернизации и экспериментальных исследований рассматриваемого асинхронного частотнорегулируемого электропривода стенда для испытания трансмиссии вертолета подтвердили его функциональную работоспособность во всех технологических режимах работы.

II.ЭЛЕКТРОПРИВОД АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ

ВФГУП «ЦАГИ» была выполнена модернизация ранее действующего электропривода аэродинамической трубы АДТ Т-102 [1] непрерывного действия замкнутого типа с двумя обратными каналами и открытой рабочей частью. АДТ предназначена для исследования аэродинамических характеристик моделей самолётов на режимах взлёта, посадки и малых скоростей полёта. Поток в трубе создаётся двумя вентиляторами, каждый из которых приводится в движение электродвигателем постоянного тока П-141-6 К мощностью 250 кВт.

Цель работы состояла в повышении технологических показателей аэродинамической трубы по надежности и быстродействию. При этом требовалось улучшение точности поддержания скорости не ниже 0,5 %, диапазона регулирования скорости не менее 20:1, возможность регулируемого ограничения рывков и уско-

рений при разгоне и торможении привода, ограничение тока на допустимом уровне во всех режимах работы.

При модернизации из экономических и конструктивных соображений было принято решение сохранить прежние электродвигатели и для их питания использовать отечественные тиристорные преобразователи типа КТЭ 630/440-11Р-04-К00014-УХЛ4 с микропроцессорной системой управления на основе Sinamics DCM DC Master и дискретным датчиком скорости (энкодером типа HOG 10D 1024I HUBNER).

Функциональная схема силовой части усовершенствованного электропривода представлена на рис. 4.

Питание обоих преобразователей UZ1, UZ2 осуществляется от общего трансформатора TV типа TTV-AL с изолированной нейтралью и мощностью 630 кВА. Автоматические выключатели переменного тока QF1-1, QF1-2 типа ВА53-41 имеют микропроцессорный расцепитель и электромагнитный привод. Линейные контакторы КМ1-1, КМ1-2 типа КВ2-630 сделаны на основе вакуумных выключателей. Сетевые реакторы L1-1, L1-2 имеют напряжение короткого замыкания 4 %. Силовая часть преобразователя оснащена защитой от сетевых перенапряжений и быстродействующими предохранителями.

Выключатели постоянного тока QF1-1, QF1-2 также типа ВА53-41. Сглаживающие реакторы L3-1, L3-2 были рассчитаны из условия исключения режима прерывистого тока в рабочем диапазоне регулирования частоты вращения и для сглаживания пульсаций тока. Реакторы установлены на выходе тиристорных преобразователей. Обмотки возбуждения LM1, LM2 двигателей M1, M2 питаются от встроенных непосредственно в преобразователи тиристорных возбудителей, подключенных к сети

~220 В. Питание вспомогательных систем и собственных нужд преобразователей выполнено от линии

~0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью.

Рис. 4. Функциональная схема электропривода АДТ

Система управления электропривода выполнена по принципу подчиненного регулирования [2]. Якорный канал содержит внутренний контур регулирования тока якоря с предуправлением и внешний контур регулирования скорости с регулятором скорости. Канал возбуждения содержит внутренний контур регулирования тока возбуждения. Система управления электропривода является цифровой, и все алгоритмы управления реализованы программным способом.

Задание скорости привода возможно в ручном режиме с пульта управления оператором по сети Profibus DP, а также от автоматизированной системы управления экспериментальными исследованиями режимов работы моделей.

В ручном режиме управление осуществляется с графической панели экспериментатора Simatic MP 277 посредством поворота вала энкодера Baumer BMSV 58K1N 24P 12/00 C0 G. Взаимодействие МСУ, панели экспериментатора (мастер в сети) и энкодера осуществляется в единой сети Profibus DP. Через эту же сеть осуществляется взаимодействие с АСУ управления экспериментом в автоматическом режиме работы.

Параметры контуров регулирования токов якоря, токов возбуждения и скорости двигателей предварительно определялись в режиме автоматической их настройки, свойственной микропроцессорной программе идентификации преобразователя SINAMICS, а затем для повышения динамических показателей привода корректировались в ручном режиме. Темп разгона обоих приводов от нулевой до номинальной скорости и темп обратного торможения из технических условий проведения испытаний были установлены равными 60 с.

На рис. 5 представлены осциллограммы переменных приводов соответственно в режимах ступенчатого изменения скорости и при разгоне привода до скорости 870 об/мин, близкой к номинальной. Осциллографирование осуществлялось встроенным в МСУ SINAMICS цифровым осциллографом с помощью программной утилиты STARTER, установленной на ноутбуке. Ноутбук был подключен к сети Profibus через PROFIBUS CP 5512 Communications processor.

Как видно из представленных осциллограмм, реакция на управляющие воздействия полностью отвечает требованиям экспериментальных исследований на АДТ. Перерегулирование скорости не превышает 10 об/мин (1 % от nн). Статическое отклонение скорости от заданного значении не более ± 0,1 % от nн.

Осциллограмма выхода вентиляторов на заданные обороты подтверждает установленное в МСУ значение задатчика интенсивности – 60 с.

Работоспособность электроприводов АДТ установки Т-102 подтверждается экспериментальной осциллограммой переменных (рис. 6) в рабочем режиме установки в процессе исследования воздействия среды на движущуюся в ней контрольную модель самолета с изменением ее положения. Из осциллограммы при изменении положения модели по программе (рис. 6) видно, изменение положения модели в эксперименте

оказывает примерно одинаковое влияние на оба вентилятора, смещая рабочую точку каждого из них по соответствующей механической характеристике. При этом значения скоростей двигателей оставались неизменными в соответствии с программой исследований.

Исследования усовершенствованного электропривода показали, что при использовании цифрового задания и цифрового энкодера с 1024 импульсами на оборот в качестве датчика обратной связи достигается значительное расширение максимального диапазона регулирования скорости вентиляторов АДТ до 1000:1 при точности стабилизации частоты вращения 0,1 об/мин. Перерегулирование скорости двигателей в переходных процессах по отношению к управляющим

и возмущающим воздействиям не выше 1 % от nн. Статическое и динамическое отклонения по скорости между вентиляторами на уровне 0,2 % nн.

Максимальный диапазон регулирования частоты вращения вала двигателя с цифровым энкодером с 1024 импульсами на оборот составляет 1000: 1, таким образом, диапазон регулирования увеличился в 50 раз. Достигнута более высокая точность поддержания оборотов обоих двигателей, аразницавоборотахвентиляторовуменьшилась.

Более современная цифровая МСУ приводом АДТ с развитой системой диагностики и гибкой многофункциональной структурой гарантирует высокую надёжность его работы, предоставляя широкие возможности по диагностике дефектов привода и их регистрации.

III. ЭЛЕКТРОПРИВОД СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПОДРУЛИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Подруливающее устройство (ПУ) предназначено для использования на судах широкого спектра применения, в том числе с ледовыми усилениями, как для повышения маневренности судов на малых скоростях хода, так

иобеспечения динамического позиционирования судов [3]. Конструктивно устройство включает в себя: реверсивный регулируемый электрический двигатель, редуктор и гребной винт фиксированного шага в трубе.

Комплексные испытания ПУ осуществляются в условиях, приближенных к натурным. Винт подруливающего устройства погружается в бассейн, электродвигатель подключается к преобразователю частоты (ПЧ), проводятся программные испытания, близкие к режимам работы изделия на судне, при продолжительных режимах работы на заданных скоростях и реверсах. В ходе испытаний определятся соответствие изделия заявленным техническим характеристикам. Каждое ПУ до поставки заказчику проходит испытания, что гарантирует качество изделия.

ПУ комплектуется вертикальным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. Для испытаний двигатель подключается к преобразователю частоты UZ. На рис. 7 представлена схема силовых подключений электропривода стенда.

Силовой согласующий трансформатор TV питания электропривода через выключатель Q подключается к трехфазной сети напряжением 10 кВ. Вторичное напряжение трансформатора 690 В поступает через автоматический выключатель QF, контакторы КМ1 и КМ2

идроссели L1 и L2 на вход преобразователей частоты UZ1 и UZ2. Дроссели ограничивают уровень коммутационных искажений выходного напряжения TV и взаимное влияние преобразователей UZ1, UZ2 через общую питающую их сеть.

Рис. 7. Функциональная схема электропривода стенда

Для получения необходимой мощности и обеспечения резервирования в возможных аварийных режимах на стенде преобразователи UZ1 и UZ2 включаются параллельно. Выходные напряжения преобразователей UZ1 и UZ2, изменяющиеся по амплитуде и частоте в функции сигналов со стороны панели управления электроприводом, объединяются в пункте подключения (ПП), а затем выходное напряжение с ПП поступает на общую статорную обмотку асинхронного двигателя M. Выходной вал двигателя M связан с входным валом редуктора испытуемого подруливающего устройства. Передаточное число редуктора равняется 3,07, поэтому при частоте вращения 326 об/мин винта гребного агрегата частота вращения приводного двигателя составляет 980 об/мин, и он развивает мощность до 1100 кВт [4].

Привод ПУ обеспечивается асинхронным электродвигателем вертикального исполнения с воздушным охлаждением типа ДВА-1100-6М4.2 мощностью 1100 кВт, номинальной частотой вращения 980 об/мин и номинальным током 1085 А разработки электротехнического концерна «РУСЭЛПРОМ». В качестве преобразователей частоты для питания асинхронного электродвигателя привода ПУ был выбран преобразователь серии Sinamics G-150 фирмы Siemens.

При параллельном подключении двух инверторов комплектного преобразователя к двигателю с общей системой обмоток статора необходимо обеспечивать выравнивание токов между этими инверторами. Выходное напряжение преобразователя частоты представляет собой последовательность трапецеидальных импульсов переменной ширины (широтно-импульсная модуляция). Скорость нарастания импульсов выходного напряжения инверторов очень велика, поэтому даже при незначительном различии во времени управляющих импульсов инверторов (микросекунды) имеет место разность потенциалов между выходами инверторов и, следовательно, уравнительные токи между ними. Ограничение скорости нарастания напряжения обычно достигается установкой дросселей на выходе каждого из инверторов или за счёт собственной индуктивности моторного кабеля. Учитывая достаточную жесткость механической характеристики выбранного асинхронного электродвигателя, было выбрано скалярное управление системой ПЧ-АД без обратных связей c законом регулирования U/f = const с IR компенсацией. При необходимости увеличения жесткости механической характеристики привода может быть использована функция компенсации скольжения доступная в программном обеспечение ПЧ.

В технических требованиях к ПУ прописано время реверса гребного винта от номинальной частоты вращения на один борт до номинальной частоты вращения на другой борт – не более 30 с, но не менее 20 с. Поэтому при параметрировании ПЧ время разгона двигателя от нуля до номинальной частоты вращения было установлено равным 20 с.

Время торможения двигателя от номинальной частоты вращения до нуля равным 8 с. Для ограничения рывков в кинематических звеньях редуктора ПУ дополни-

тельно в задатчике интенсивности системы управления ПЧ были запрограммированы времена сглаживания его выходного сигнала в начале и по окончанию разгона и торможения равные 1 с. При этом максимально допустимый ток ПЧ при пуске и торможении был ограничен на уровне 1200 А.

В ходе пусконаладочных работ с помощью программного обеспечения фирмы SIEMENS для ввода электроприводов в эксплуатацию – программы Starter производилось осциллографирование основных координат электропривода (рис. 8).

Поскольку вентиляторная нагрузка ПУ имеет квадратичную зависимость момента сопротивления от частоты вращения винта, то ток статора и соответственно электромагнитный момент асинхронного двигателя во времени имеют параболическую закономерность.

Двигатель выходит на максимальные 1000 об/мин практически без перерегулирования при токе статора 1100 А. При этом уравнительные токи между инверторами не превышают 10 А. Как видно из представленных осциллограмм, электропривод ПУ при данных настройках позволяет осуществлять плавное двухквадрантное регулирования в разомкнутой структуре с диапазоном регулирования 10:1 с высокой стабильностью частоты вращения, что подтверждают его работоспособность и реализацию всех технологическихтребованийк приводу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Модернизация электропривода испытательных стендов позволила:

♦ значительно улучшить качественные показатели проведения экспериментов;

♦увеличить производительность работы за счёт уменьшения времени выхода на испытательные режимы и увеличения количества проведённых экспериментов в единицу времени;

♦уменьшить расход электрической энергии на работу электропривода;

♦в высокой степени модернизировать работу всей установки.

Важно отметить, что при проектировании нового электропривода или модернизации устаревшего стоит в первую очередь исходить из технологических требований к нему. В приведённых авторами работах

вдвух случаях применялась разомкнутая скалярная система управления и лишь в одном случае требуемая точность поддержания технологических параметров в процессе испытаний достигалась путём применения замкнутой структуры системы управления с внешней обратной связью по частоте вращения электродвигателя.

Библиографический список

1.Дозвуковая аэродинамическая труба Т-102 / Центральный аэрогидродинамич. институт им. проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) [Online]. С. 1–2. URL: http: //tsagi.com/upload/iblock/961/961024af 57d5cf61ccb3955c6387d3bf.pdf.

2.Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов: учебник для студентов высших учебных заведений / под ред. В.М. Терехова. М.: Академия. 2006. 304 с. С. 120–136.

3.«Подруливающее устройство ПУ200Ф», электрон. журнал. URL: www.korabel.ru. Июль 2012. № 2 (16).

4.Развитие гражданской морской техники на 2009–2016 годы

[Офиц. сайт]. URL: http: //rgmt.spb.ru/catalog/upload/files/DvizhitelVint.pdf (дата обращения: 22.03.2016).