Повышение энергоэффективности и эксплуатационной надёжности электропривода в системах водоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Лиходедов, Андрей Дмитриевич

• Лиходедов, Андрей Дмитриевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Лиходедов, Андрей Дмитриевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ В СИСТЕМАХ ГОРОДСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Применение частотно-регулируемого привода для управления насосными агрегатами

1.2 Зависимость добавочных потерь от режима работы двигателя

1.3 Анализ эксплуатационных показателей асинхронных электродвигателей при питании от ПЧ

1.4 Последствия наличия в питающей электросети высших гармоник

напряжения

Выводы

ГЛАВА 2 АНАЛИЗ РАБОТЫ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ С ПОВЫШЕННОЙ АВАРИЙНОСТЬЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

2.1 О совершенствовании информационного обеспечения потребителей насосных агрегатов для систем городского водоснабжения

2.2 Анализ работы насосных станций систем водоснабжения

2.3 Электромагнитная совместимость в электроприводе насосов

2.4 Алгоритмы ЧРП

Выводы

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

НАСОСНОГО АГРЕГАТА

3.1 Разработка модели асинхронного электродвигателя, поддерживающей реализацию различных алгоритмов управления

3.2 Математическая модель АД с векторным управлением

3.3 Построение экспериментальной механической характеристики

3.4 Разработка модели насоса и системы трубопроводов

3.5 Влияние алгоритмов управления электродвигателем на его эксплуатационные характеристики

3.6 Разработка базы данных насосных агрегатов для систем городского

водоснабжения

Выводы

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЧ НА НАСОСНЫХ АГРЕГАТАХ

4.1 Преимущества ЧРП при управлении насосными агрегатами

4.2 Недостатки ЧРП

4.3 Влияние эксплуатации электродвигателей при пониженных частотах напряжения на дополнительные потери электроэнергии

4.4 Анализ работы ПВНС в г. Петропавловске-Камчатском. Разработка алгоритма управления электродвигателями насосной станции при использовании РЧВ малой ёмкости

4.5 Внедрение результатов проведенной работы

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АД - асинхронный двигатель

ВНС - водопроводная насосная станция

ДПТ - двигатель постоянного тока

ИМ - исполнительный механизм

КПД - коэффициент полезного действия

Н.агр - насосный агрегат

НС - насосная станция

Обр.кл. - обратный клапан

ПВНС - повысительная водопроводная насосная станция ПКЭ - показатели качества электрической энергии ПЧ - преобразователь частоты

САПР - система автоматизированного проектирования САР - система автоматического регулирования САУ - система автоматического управления СУЭП - система управления электроприводом ТПЧ - тиристорный преобразователь частоты ЦН - центробежный насос ЧР - частотное регулирование ЧРП - частотно-регулируемый привод

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергоэффективности и эксплуатационной надёжности электропривода в системах водоснабжения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований обусловлена массовым переоснащением и модернизацией электроприводов в системах водоснабжения на основе использования алгоритмов частотного регулирования и необходимостью поддержания эксплуатационных показателей надежности электродвигателей на высоком уровне.

Энергоэффективность и энергосбережение входят в список приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ. В диссертации рассматриваются алгоритмы и методы управления

электродвигателем, позволяющие снизить затраты при его использовании, а также сохранить высокий уровень эксплуатационных характеристик двигателя.

Потенциал экономии энергопотребления насосными системами составляет около 60%. Созданию энергоэффективных и экономичных режимов работы насосных агрегатов до сих пор уделяется недостаточно внимания, что приводит к нерациональным затратам электроэнергии от 5 до 15% в процессе перекачки чистых и сточных вод.

Асинхронный двигатель (АД) является основным источником энергии для всех видов насосов. Использование преобразователя частоты (ПЧ) позволяет снизить пусковой ток и осуществлять плавное регулирование скорости вращения электродвигателя. Однако при этом возникают добавочные потери от высших гармоник напряжения, происходит снижение допустимого момента из-за повышенного нагрева, появляются пульсации момента, взаимодействие магнитных полей вызывает дополнительный шум, снижается долговечность изоляции, возникают подшипниковые токи, снижается КПД электродвигателя. Экономия на электроэнергии выливается в повышенную аварийность оборудования и может привести к еще большим финансовым тратам.

В таком случае возникает вопрос: устанавливать или не устанавливать частотный преобразователь для управления электродвигателями? Необходимо найти компромиссное решение, принятие которого позволит экономить электроэнергию и при этом не приведёт к снижению эксплуатационных характеристик электродвигателей.

Кроме решения прямой задачи энергосбережения предложенные в работе алгоритмы решают задачу оптимального управления приводами насосов. В результате может быть получен дополнительный эффект экономии средств от повышения эксплуатационных характеристик технологического оборудования.

Степень разработанности темы. Исследованиями в области повышения энергетической эффективности и эксплуатационной надёжности асинхронных электродвигателей занимались учёные Гаинцев Ю.В., Лезнов Б.С., Браславский И.Я., Щека В.Н., Волков А.В., и др. Общими недоработками исследований по данному направлению являются отсутствие определения и обоснования границ диапазона частотного регулирования асинхронных электродвигателей общепромышленного назначения; отсутствие сравнительной оценки влияния алгоритмов управления электродвигателем на их эксплуатационную надёжность.

Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании систем электропривода насосов путем разработки и внедрения алгоритма энергоэффективного управления двигателями насосов в условиях использования ЧРП, путем разработки модели ЧРП, в которой учтены процессы, влияющие на деградацию подшипникового узла, и построения компьютерных экспериментов для сравнения показателей качества регулирования и оценки показателей надежности при различных алгоритмах управления. В осуществлении разработки программного обеспечения, позволяющего осуществлять выбор насосных агрегатов различных производителей для систем городского водоснабжения.

Для достижения поставленной цели в диссертации потребовалось решить следующие задачи:

1. провести анализ аварийности технологического оборудования насосных станций городской сети водоснабжения в условиях внедрения ЧРП;

2. выявить причину повышенной аварийности технологического оборудования городских насосных станций, касающихся проблем эксплуатации электроприводов;

3.разработать модель скалярного и векторного частотного управления электроприводом, в которой учтены процессы влияющие на деградацию подшипникового узла асинхронных двигателей;

4. произвести сравнение различных алгоритмов управления электроприводом с целью выявления их влияния на эксплуатационную надежность асинхронных электродвигателей;

5. разработать алгоритм управления электродвигателями насосной станции, оснащенной ЧРП, повышающий их эксплуатационные характеристики;

6. разработать и опробовать программное обеспечение, позволяющее обеспечить выбор насосных агрегатов для нужд городского водоснабжения с заданным набором критериев.

Объект исследования: Объектом исследования в работе является асинхронный электропривод центробежных и погружных насосов, предназначенных для работы в системах городского водоснабжения.

Методы исследования: Теоретические исследования выполнены с привлечением теории электропривода, теории автоматического управления, классической теории импульсных и цифровых систем, непрерывного и дискретного преобразований Лапласа, метода пространства состояний и передаточных функций, метода имитационного моделирования с использованием средств моделирования математической системы Ма^аЬ и инструментальных средств этой системы: программного пакета 81шиНпк, пакета физического моделирования SimPowerSystems. Также используются физические методы исследования с применением лабораторных и действующих установок.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью исходных предположений и допущений, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, использованием апробированных программных средств для математического моделирования процессов, протекающих в асинхронном электроприводе.

Научная новизна и практическая значимость представленной диссертационной работы заключается в следующем:

1. определены и подтверждены экспериментально зависимости общего уровня виброскорости асинхронного электродвигателя в составе

электропривода насосной станции от величины люфта вала при скалярном и векторном управлении частотой вращения ротора;

2. разработана и экспериментально апробирована математическая модель электродвигателя, позволяющая проводить математические эксперименты, используя различные алгоритмы управления, сравнивать алгоритмы между собой, отслеживать электромагнитные процессы системы в переходных режимах работы двигателя с учетом люфта вала;

3. выполнена оценка влияния использования различных алгоритмов управления на интервал времени межремонтных промежутков;

4. разработана и опробована в промышленных условиях установка, функционирующая на основании алгоритма управления двигателями насосной водопроводной станции, запитанными от ПЧ, при постоянно изменяющейся нагрузке, учитывающего эксплуатационные характеристики общепромышленных электродвигателей.

Внедрение результатов работы: Разработанные математические модели реализованы в среде МАТЬАВ, обеспечивающей переход к микропроцессорным реализациям алгоритмов управления. Их использование позволяет проводить исследования работы электродвигателя при различных способах регулирования и разнообразных функциях нагружения асинхронного электропривода насосных агрегатов.

В МУП "Петропавловский водоканал" внедрена база данных насосных агрегатов для систем городского водоснабжения, а также внедрены алгоритм управления электродвигателями насосных агрегатов и журнал ремонтно-эксплуатационных работ.

Результаты проведенных экспериментов внедрены в учебный процесс филиала ДВФУ в г. Петропавловске-Камчатском для проведения занятий по дисциплине "Автоматизация и управление процессами теплогазоснабжения и вентиляции".

Для ПВНС №12 г. Петропавловск-Камчатский в соответствии с её графиком водопотребления проведено оснащение насосными агрегатами на основе внедрённого программного обеспечения.

Область применения результатов: Основной областью применения результатов работы являются системы городского водоснабжения, использующие ЧРП. Результаты работы также используются в учебном процессе.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. результаты анализа дефектов асинхронных двигателей, выявленных в ходе внедрения и эксплуатации ЧРП на станциях городского водоснабжения, позволяющие сделать вывод о необходимости ограничения частотных диапазонов регулирования при применении серийных асинхронных двигателей;

2. модель электропривода, реализованная с помощью структурного моделирования в среде Simulink, позволяющая отслеживать изменение электромагнитных и механических величин в асинхронном электродвигателе для разных алгоритмов управления и сравнивать влияние алгоритмов управления на эксплуатационную надёжность электродвигателя;

3. оценка влияния алгоритмов управления на время межремонтных промежутков асинхронного электродвигателя в условиях применения ЧРП;

4. алгоритм управления двигателями насосной водопроводной станции, регулируемыми ПЧ, при постоянно изменяющейся нагрузке, учитывающий эксплуатационные характеристики общепромышленных электродвигателей, повышающий энергоэффективность электропривода насосов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Радиооборудование и электрооборудование судов» Камчатского государственного технического университета, на заседании кафедры "Теоретической электротехники и

электрификации промышленности" Российского государственного университета нефти и газа имени И. М. Губкина, а также на следующих конференциях:

- Второй всероссийской научно-практической конференции «Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование», г. Петропавловск-Камчатский, 15-18 марта 2011 г.;

- Международной научно-технической интернет-конференции «Информационные системы и технологии», г. Орёл, 1 апреля-31 мая 2011 г.;

- Четвёртой всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь в современном мире: гражданский, творческий и инновационный потенциал» г. Старый Оскол, 2012;

- Четвёртой всероссийской научно-практической конференции «Наука, образование, инновации: пути развития», г. Петропавловск-Камчатский, 21-25 апреля 2013г.;

- научно-технической конференции молодых учёных «Электротехнические комплексы и системы в нефтяной и газовой промышленности», РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва 29-30 октября 2013г.;

- научно-практической конференции «Наука и инновации: вопросы теории и практики», г. Петропавловск-Камчатский, 20 марта 2014 г;

Получен грант на проведение НИОКР, проводимые с 2011 г. в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса», финансируемого фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме «Разработка нечётко-модального регулятора для регулирования электроприводов насосных станций», регистрационный № 01201253668.

Публикации. По результатам проведенных исследований по теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них 2 работы в изданиях из перечня ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных литературных

источников из 86 наименований. Её содержание изложено на 161 странице машинописного текста, включая 38 рисунков, 5 таблиц, 6 приложений.

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ В СИСТЕМАХ ГОРОДСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

В первой главе рассмотрен метод управления электродвигателем насоса при помощи преобразователя частоты (ПЧ) как наиболее перспективный для энергосбережения в насосных агрегатах. Дано понятие добавочных потерь, возникающих в электродвигателе при параметрах питающего напряжения отличных от номинальных. Рассмотрен вопрос влияния частотного регулирования (ЧР) на эксплуатационные показатели асинхронных электродвигателей и на рост добавочных потерь. На основании проведенного литературного обзора сформулированы основные задачи работы.

1.1 Применение частотно-регулируемого привода для управления

насосными агрегатами

ЧР асинхронных двигателей (АД) считается самым энергоэкономичным в сравнении с другими методами регулирования. [67] С помощью ЧР осуществляется непрерывное изменение производительности насосной станции (НС), результатом чего является снижение энергетических затрат на производство избыточного давления. При этом недостатком является высокая стоимость оборудования осуществляющего регулирование, особенно для технологического оборудования мощностью выше средней. При ЧР ухудшается электромагнитная совместимость с электросетью, происходит снижение эксплуатационных характеристик серийных электродвигателей, что требует принятия ряда дополнительных мер для повышения надёжности системы. Этот способ регулирования становится все перспективней в связи со снижением цен на регулируемые электроприводы. [ 14]

Широко используется ступенчатое регулирование вместе с частотно регулируемым приводом (ЧРП).[14] Из 2-3 насосов регулируемым приводом оснащается один насосный агрегат.[34]

По результатам исследований Фраунгоферского института (Fraunhofer Institut), потенциал экономии энергопотребления насосными системами составляет примерно 60%. С помощью применения способов регулирования насосных агрегатов, настраивая электропривод насоса на требуемую мощность, этот потенциал можно исчерпать.[82]

Выбор включенных в работу насосов и способа регулирования определяет потребляемую мощность для каждого электропривода насоса и для НС в целом. Критерием оптимизации является осуществление заданного режима работы НС, обеспечивающего необходимое давление и подачу при минимизированном потреблении электроэнергии, используя все доступные способы регулирования. [25]

При этом возникают следующие задачи: пересчёт и идентификация реальных характеристик насосов, которые обычно не соответствуют паспортным и изменяются в результате износа; построение общей характеристики для группы насосов по определенным характеристикам отдельных насосов. Результатом решения задачи оптимизации для каждого момента времени будет выработка управляющего решения (включение или отключение насосных агрегатов, изменение скорости вращения рабочего колеса насоса), которое приведет к перемещению рабочей точки совокупной характеристики НС в положение с минимально достижимой в данный момент потребляемой электрической мощностью. [25]

На практике КПД насосных систем составляет в среднем 40%, при этом используемые на них насосы при работе в номинальном режиме имеют КПД выше 70%. [34] Основные энергетические потери связаны с использованием методов регулирования, неоправданно снижающих КПД системы (дросселирование) [32], с неправильным подбором насосов (выбор насосных агрегатов с большей мощностью, чем требуется для работы НС)[37, 49], с

износом оборудования, с недостаточным уделением внимания характеристике системы водоснабжения (для системы с преобладанием динамической составляющей - потери на гидравлическое сопротивление -более оправдано применение ЧР, для системы с преобладанием статической составляющей более оправдано применение каскадного регулирования). [34]

Большинство применяемых методов регулирования приводит к значительному снижению КПД НС (дросселирование, регулирование перепуском, использование гидромуфт), ряд методов снижает эксплуатационные характеристики технологического оборудования (частотное регулирование, ступенчатое регулирование) [23]. Наиболее эффективным способом энергосбережения является сочетание нескольких методов регулирования. В результате нужно получить алгоритм управления, учитывающий факторы неоправданного снижения КПД системы электроприводов насосов, обеспечивающий высокий уровень эксплуатационных характеристик технологического оборудования.

1.2 Зависимость добавочных потерь от режима работы двигателя

Добавочные потери - это потери, не связанные с образованием полезного вращающего момента. Потери, созданные высшими пространственными гармониками потока статора и ротора, следует относить к добавочным потерям, так как моменты, создаваемые высшими гармониками (генераторный для прямовращающихся и тормозной для обратновращающихся гармоник) в нормальных режимах, направлены против основного момента. [17]

В асинхронной машине высшие гармоники зависят от её конструктивных особенностей (расположение обмотки в пазах, наличие раскрытий пазов), технологических отклонений (эксцентриситет ротора, обрыв стержней), насыщения стали, несинусоидальности и несимметричности напряжения сети и так далее. [17]

Теоретически добавочные потери пропорциональны амплитуде индукций высших гармоник в степени 1,75-2. Практическая проверка показала, что показатель зависимости добавочных потерь от напряжения и тока приблизительно равен 2. [17]

При нагреве машины, особенно закрытой обдуваемой, вследствие большего нагрева ротора воздушный зазор уменьшается, что является причиной роста добавочных потерь. Особенно заметна зависимость добавочных потерь от температуры в режиме обратного вращения, когда потери в роторе значительно больше, а потери в статоре значительно меньше, чем в нормальном режиме. [17]

При изменении частоты сети прямо пропорционально изменяется скорость машины и примерно также частота токов, наводимых высшими гармониками в статоре и роторе. Из-за больших значений токов гармоник на низких частотах питания возникают дополнительные потери в обмотках ротора. [22] Добавочные потери, возникшие от высших гармоник, изменяются пропорционально скорости ротора (частоте сети) в степени 1,5 (1,33-2). [17]

При несимметрии напряжения машину можно представить как два двигателя на одном валу, питаемых напряжениями обратной и прямой последовательностей. Так, если токи в двух фазах равны номинальному току, а в третьей на 20% выше, то ток прямой последовательности равен 112,3%, ток обратной последовательности - 14%. При этом добавочные потери возрастут на 28%, а потери в меди статора - на 15%. Возрастут также потери в меди и стали ротора. В результате повышение температуры обмотки статора увеличится примерно на 15%. При несимметрии напряжений (отклонения между наибольшим и средним фазным напряжениями) 2 и 3,5% превышение температуры обмотки статора возрастает на 8 и 25%. [17] При несимметрии напряжения 2% КПД электродвигателя будет снижено примерно на 2%, а при 4% снижение КПД будет около 5,5%. [11]

Повышение несинусоидальности питающего напряжения вызывает увеличение паразитных полей и электромагнитных моментов в двигателях, которые ухудшают механические характеристики и КПД машины, приводят к росту добавочных потерь. Кроме того, воздействие полей высших гармоник и повышенного нагрева токоведущих частей вызывает необратимые физико-химические процессы в результате которых ускоряется старение изоляции электрических машин, снижается коэффициент мощности электропривода. [64] При работе АД от преобразователя с ШИМ напряжением снижается его мощность на 10-25%, момент на валу - до 20%. Увеличивается температура корпуса, возрастают добавочные потери. [29]

Изменение нагрузки двигателя не влияет на общее количество дополнительных потерь, возникших из-за наличия высших гармоник. Добавочные потери снижаются при повышении частоты коммутации ПЧ. [22]

В большой степени значения дополнительных потерь зависят от типа преобразователя (с инвертором тока или напряжения, в зависимости от частоты и формы импульсов) и электродвигателя (тип обмотки, форма пазов, потери в стали). Расчеты дополнительных потерь достаточно сложны и отсутствуют общие рекомендаций по их расчету. [22]

Как видим, снижение качества питающей электроэнергии нежелательно для электродвигателя и приводит к росту добавочных потерь, повышенному нагреву и снижению КПД.

1.3 Анализ эксплуатационных показателей асинхронных электродвигателей при питании от ПЧ

В публикации [50] были проведены теоретические и экспериментальные исследования энергетических показателей АД AMyi60L2y3 (Рн=18,5 кВт) при различных законах частотного управления

(U/f = const, EemJf = const , E/f = const , Кнут!f = const ) и их сравнение.

Электродвигатель работал с постоянной нагрузкой 30,5 Нм с изменением скорости в диапазоне 500 - 2930 об/мин.

При низкой скорости вращения ротора использование законов векторного управления EeHeJf = const, E/f = const , /f = const позволяет

увеличить КПД на 7-21% по сравнению со скалярным управлением, коэффициент мощности при этом снижается на 3-7%. Рост скорости сглаживает эти различия. Законы векторного управления в динамических и статических режимах обеспечивают лучшее управление приводом и приводят к повышению его КПД. [50]

Но все законы с поддержанием постоянного уровня потокосцепления имеют недостатки. Общий недостаток это низкая надежность, являющаяся следствием установки в двигатель датчиков и потери в стали возникающие при моменте нагрузке меньше номинального. Данные потери обусловлены необходимостью поддержания постоянного номинального уровня потокосцепления при различных режимах работы. [44]

Экономия электроэнергии в двигателе насосного агрегата может быть достигнута изменением закона управления преобразователя для обеспечения соответствия механической характеристики двигателя механической характеристике приводного механизма. За счёт выбора закона управления можно сократить потери в электродвигателе и повысить экономию электроэнергии до 15 %.[79]

Исследования, проведенные в [30], показывают влияние регулирования частоты вращения на механические вибрации асинхронного электродвигателя. Чем выше частота вибраций тем эффективнее оказывает влияние на её уменьшение регулирование частоты вращения. Но при этом могут возникать резонансные усиления вибраций. Для некоторых типов насосов регулирование частоты не является эффективным для снижения вибраций, для других является эффективным в определенном диапазоне и для третьих эффективно во всём диапазоне регулирования. Автор делает

вывод, что если резонансные усиления вибраций в определенном диапазоне регулирования не превышают предъявляемые к ним требования и в результате регулирования частоты вращения снижаются вибрации до необходимого уровня в другом диапазоне, то нет необходимости отказываться от регулирования частоты вращения.

Качество питающего электродвигатель напряжения существенно влияет на уровни механических вибраций, это влияние особенно характерно для резонансных режимов работы. [30]

У серийно выпускаемых асинхронных электродвигателей, не предназначенных для питания от ПЧ, отсутствует принудительная вентиляция. Температура указанных двигателей изменяется нелинейно в зависимости от частоты, что обусловлено изменением теплоотвода с поверхности электродвигателя.

Исследования [57] показывают, что при снижении частоты питающей сети до 40 Гц температура электродвигателя может быть снижена, так как снижается ток статора, уменьшая нагрев машины. Дальнейшее снижение частоты до 25-30 Гц приводит к нарушению баланса между теплоотдачей и нагревом, и как следствие к перегреву электродвигателя. При снижении частоты нагрев зависит от нагрузки двигателя и может отличаться для разных законов управления.

Снижение частоты питания электродвигателя влечет за собой рост доли высших гармоник. [34] Несинусоидальность напряжения питающего электродвигатель приводит к росту добавочных потерь, температуры, шума, уровня вибраций и снижению КПД электродвигателя. В [83] приведены результаты экспериментов с общепромышленными электродвигателями разной мощности, показывающими снижение энергоэффективности системы ПЧ-АД при снижении частоты питания.

Как указано выше, регулирование частоты в ограниченном диапазоне может иметь положительный эффект в виде снижения нагрева электродвигателя. Кроме того использование векторного управления

обеспечивает больший КПД двигателя по сравнению со скалярным управлением. При частотном регулировании возникают механические вибрации, гармонические искажения питающего напряжения, имеющие негативные последствия в виде добавочных потерь электроэнергии, в виде снижения эксплуатационной надёжности механических узлов. Из вышеприведенных источников ясно, что воздействовать на эти показатели возможно, выбирая закон управления, ограничивая диапазон регулирования частоты.

1.4 Последствия наличия в питающей электросети высших гармоник

напряжения

В асинхронных машинах основной причиной появления добавочных потерь являются высшие гармоники магнитного поля в воздушном зазоре и потоки рассеяния рабочей гармоники (в крупных машинах). [17] Данными потерями нельзя пренебрегать. На них оказывает влияние амплитуда гармонических составляющих фазных напряжений, при этом частота практически не влияет. [86]

По национальным стандартам, а также по рекомендациям МЭК добавочные потери в АД любой мощности и любой конструкции при номинальной нагрузке оцениваются значением 0,5% потребляемой (иногда полезной) мощности. Однако их фактическое значение выше. Для АД мощностью до 100 кВт, действительные добавочные потери могут составлять до 7-8% потребляемой мощности. [17]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лиходедов, Андрей Дмитриевич, 2017 год

Список использованных литературных источников

1. Абраменко И.Г., Кузнецов А.И., Компьютерные технологии в автоматизированных системах управления электроснабжения / Учебное пособие - Харьков: ХНАГХ, 2008. - 146 с.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т.: Т. 2. - 8-е изд., перераб. и доп. под ред. И.Е. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001. - 912 с.: ил.

3. Артюхов И. И., Сошинов А. Г., Бочкарева И. И. Электромагнитная совместимость и качество электроэнергии // учеб. пособие - Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2015. - 124 с.

4. Ахметшина М.В. Учёт влияния изменения параметров конструктивных элементов асинхронных двигателей на показатели надёжности подшипниковых узлов \\ Сборник материалов научной конференции «ДЬАГНОСТИКА ЕЛЕКТРОМЕХАН1ЧНИХ СИСТЕМ ТА ЕНЕРГОРЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ» Кременчугский государственный университет имени Михаила Остроградского, 2010г. С.342-343

5. Ахметшина М.В., асп., Прус В.В., к.т.н, доц. Подход к учёту вибрационных параметров асинхронных двигателей при изменении состояния конструктивных элементов \\ Сборник материалов научной конференции «ЕЛЕКТРИЧН1МАШИНИ I АПАРАТИ» Вюник КДУ iмeнi Михайла Остроградського. Випуск 4/2010 (63). Частина 3, С.77-82

6. Барутсков И.Б., Вдовенко С.А., Цыганков Е.В. Гармонические искажения при работе преобразователей частоты // Главный энергетик, 06.2011, С.5-15

7. Белякин В.В. Определение допустимого диапазона регулирования асинхронным электродвигателем, работающим от преобразователя частоты // Сборник материалов X Региональной научно-практической студенческой конференции "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" - Томский политехнический университет, 1 -4 июня 2010 г., С.89-92

8. Беспалов В. Я. Перспективы создания отечественных электродвигателей нового поколения для частотно-регулируемого электропривода // АЭП-2004, Магнитогорск, 14-17 сентября 2004 г., С.24-31

9. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.Я.Браславский, 3. Ш.Ишматов, В.Н. Поляков; Под ред. И.Я.Браславского. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 256 с.

10. Бронов С.А., Марарескул А.В. Автоматизированное проектирование электромеханических систем / Учебное пособие по теоретической подготовке - 122 с.

11. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины // Часть 1, 2-е изд. М.: Высш. шк., 1987. - 319 с.

12. В.В.Корепанов, М.А. Кулеш, И.Н.Шардаков Использование вейвлет-анализа для обработки экспериментальных вибродиагностических данных: метод. Материал к спецкурсу «Современные проблемы механики»; Перм. ун-т. - Пермь, 2007. - 64 с.

13. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».— Иваново, 2008.— 297 с. ISBN.

14. Виноградов А.Б., Сибирцев А.Н., Колодин И.Ю.: Автоматизация насосной станции с применением частотно-регулируемого электропривода // Силовая электроника №2'2006

15. Воздействие гармоник -увеличенные потери / Вики-Электро. Руководство по устройству электроустановок, [Электронный ресурс] URL: http://ru.electrical-installation.org/ruwiki/Воздействие гармоник -увеличенные потери (дата обращения 6.03.2012)

16. Выбор преобразователя частоты / Группа компаний Альфа-Пром. Промышленная автоматизация и энергосбережение, оборудование для автоматизации,

энергосберегающее оборудование [Электронный ресурс]; URL: http://www.alfa-prom.ru/art_6_preobraz_chastoty.html (дата обращения: 26.09.2013)

17. Гаинцев Ю.В. Добавочные потери в асинхронных двигателях - М.: Энергоиздат, 1981 - 184 с., ил. С.11-12, 16-18, 37-38,119,132,101-103.

18. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0 // Учебное пособие - СПб.: КОРОНА принт, 2001, - 320 с.

19. ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения», введен в действие с 01.01.1999 г.

20. ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», введен в действие с 25.03.2013 г.

21. ГОСТ 54149-2010 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», введен в действие с 21.12.2010 г.

22. ГОСТ Р МЭК/ТС 60034-17-2009 Машины электрические вращающиеся. Часть 17. Руководство по применению асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором при питании от преобразователей, дата введения 2011.01.01

23. Гришин А.П., Гришин В.А. Коэффициент полезного действия частотно-регулируемого электронасоса / Научные труды. Том 89. М.: ВИЭСХ, 2004. с.118-127

24. Данилов Е. Обзор производства насосного оборудования в Российской Федерации в 2011 г. // Насосы&Оборудование № 4(75)-5(76) 2012 С.12-14 URL: http://www.allpumps.kiev.ua (Дата обращения: 25.11.2012)

25. Ексаев А.Р. Вопросы оптимизации режимов работы системы водоснабжения [Электронный ресурс] // ИВЦ "Поток" апрель 2001 г., URL: http://www.citycom.ru/publications/apr-2001.php (дата обращения: 25.01.2013).

26. Ещин Е.К. Электромеханические системы многодвигательных электроприводов. Моделирование и управление. -Кемерово: Кузбасский гос.техн.ун-т, 2003. -247 с.

27. Загорский А. Е., Галустян К. М. Взаимосвязь динамических и массогабаритных показателей частотно-управляемых асинхронных двигателей // Электротехника, 1983, № 9, с.2-6.

28. Кадушкевич О.В., Дубовик В.Г., Лебедев Л.Н. Оценка потери мощности в асинхронном двигателе при питании от преобразователя частоти // Сборник материалов научно-технической конференции "Енергетика. Еколопя. Людина" Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» Институт энергосбережения и энергоменеджмента г. Киев Украина 2011г. С.259-260, URL: http://en.iee.kpi.ua/files/ukr/42.pdf (дата обращения 15.12.2012)

29. Казаков Ю.Б., Шумин А.А., Андреев В.А., Зависимость потерь в асинхронных двигателях от параметров широтно-импульсного регулирования напряжения // Вестник ИГЭУ, Вып. 3 /2007 г.

30. Каплин А.И. Эффективность применения регулирования частоты вращения для снижения вибраций электродвигателей и электромеханизмов / Труды НПП ВНИИЭМ, Том 118. № 5 - 2010, С. 3-8

31. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции - Учебник. Издание второе, переработанное и дополненное - Стройиздат, 1986

32. Кожинов И.В., Колесов В. В., Майзельс М.П., Эгильский И. С. Наладка и интенсификация работы городских систем подачи и распределения воды. М., Стройиздат, 1978.

33. Комплектный автоматизированный электропривод. Экономичность и производительность. [Электронный ресурс]; URL: http://www.privodi.ru (дата обращения 13.01.2013)

34. Костюк А., к.ф-м.н., директор программы насосов для воды; Диброва О., инженер; Соколов С., ведущий инженер. ООО "УК "Группа ГМС", Пути повышения энергоэффективности насосных систем // [Электронный ресурс] -URL:http://www.agrovodcom.ru/infos/energojeffektivnost-nasosov.php (дата обращения 15.12.2013)

35. Крицштейн А. М., Кислицын А. Л., Дмитриев В. Н. Алгоритм расчета характеристик асинхронного двигателя с переменными параметрами ротора // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Параметры и характеристики электрических машин в статических и динамических режимах: сборник научных трудов / Ульяновский гос. техн. ун-т. - Ульяновск : УлГТУ, 2013. - 236 с.

36. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках.- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 144с.

37. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. — М.: Энергоатомиздат, 2006. 360 с. ил.

38. Лиходедов А. Д., Ткаченко В. А., Ткаченко А. В. Внедрение частотного регулирования в системах автоматизации теплоснабжения и водоснабжения // Труды Камчатского филиала Дальневосточного федерального университета / отв. ред. Л. А. Геготаулина. - Вып. 13. - Петропавловск-Камчатский : Камчатпресс, 2014. - 140 с., С.93-96.

39. Лиходедов А.Д. Построение механической характеристики асинхронного двигателя и её апробация // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 5; URL: http://www.science-education.ru/105-6988 (дата обращения: 11.09.2012).

40. Лиходедов А.Д., Портнягин Н.Н. Применение модальных регуляторов в промышленных объектах водоснабжения // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование. II Всероссийская научно-практическая конференция (15-18 марта 2011 г.)/ Отв. за вып. Н.Г. Клочкова. -Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2011. - 282 с., С. 47-53.

41. Лиходедов А.Д., Портнягин Н.Н. Моделирование векторного управления асинхронным электроприводом // Современные проблемы науки и образования. -2013. - № 1; URL: http://www.science-education.ru/107-8213 (дата обращения: 28.01.2013).

42. Лиходедов А.Д., Швецов В.А. О совершенствовании информационного обеспечения потребителей насосов для систем водоснабжения // Наука, образование, инновации: пути развития : материалы Четвертой всероссийской научно-практической конференции (23-25 апреля 2013) / отв. за вып. Я.В. Ганич - Ч.1. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2013.- 243 с, С. 67-68.

43. МДК 3-02.2001 Правила технической эксплуатации систем и сооружений коммунального водоснабжения и канализации

44. Методы регулирования, используемые в преобразователях частоты для управления двигателями переменного тока [Электронный ресурс] -URL:http://dataural.ru/stati/19356/page/1/ (дата обращения: 15.01.2013)

45. Миф об энергоэкономичности импортных насосов [Электронный ресурс] - URL: http://www.agrovodcom.ru/info_energo_snab.php (Дата обращения: 17.01.2014)

46. Москаленко В. В. Электрический привод: учебник для студ. высш. учеб. заведений // М.: Издательский центр «Академия» - 2007, - 368 с.

47. Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Кирякин А.А.: Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по каталожным данным // Электричество - №4/98 -1998, С. 38-42.

48. Мукушева А Б. Работа асинхронных двигателей в насосных агрегатах // Сборник материалов X Региональной научно-практической студенческой конференции "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" - Томский политехнический университет, 1 - 4 июня 2010 г., С.83-86

49. Мукушева А.Б. Обеспечение энергосбережения при использовании асинхронных электроприводов в насосных агрегатах // сборник материалов XVI международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», НИ ТПУ, 12 - 16 апреля 2010, С.501-502

50. Петрушин В.С., Таньков А.А. Энергетические показатели асинхронного двигателя в частотном электроприводе при различных законах управления // Электромашинобудування та электрообладнення: Респ. межвщ. науч.-техн. сб.- 2000. -Вип. 55. - С. 71 - 75.

51. Поздеев А.Д. Электромагнитные и элеткромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. Ун-та, 1998. 172 с.

52. Преобразователи частоты и асинхронные двигатели общепромышленного применения [Электронный ресурс] - Информационный центр поддержки предпринимательства о новых промышленных технологиях и изделиях; URL: http://www.74rif.ru/pch-as_prom.html (дата обращения 10.12.2012)

53. Преобразователи частоты с векторным управлением, преимущество и недостатки. [Электронный ресурс] - URL: http://www.electrotechnica.ru/vektornoje_upravlenie.html (Дата обращения: 7.12.2013)

54. Разумов Раздолов К.Л. Эффективность работы агрегатов на основе электропривода // журнал РИТМ. 25.06.2010, [Электронный ресурс] - URL:http://www.ritm-magazine.ru; URL:http://www.mirprom.ru/public/effektivnost-raboty-agregatov-na-osnove-elektroprivoda.html (Дата обращения: 23.10.2013)

55. Регулятор, электропривод, двигатель. Преобразователь частоты как регулятор и вентиль./ 08.05.2007 " [Электронный ресурс]; URL: http://www.ingener.info/pages-page-24.html (дата обращения: 26.09.2013)

56. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат. 1987. 136 с.

57. С.П. Голиков Анализ работы асинхронного двигателя при пониженной частоте питающей сети // Електромашинобудування та електрообладнання: Республиканський мiжвiдомчий науково-техшчний збiрник. - К.: Техшка. - 1999. - Вип. №53. - С. 41-49.

58. Сагалбаев Ж.И. Причины отказов асинхронных двигателей на нефтехимическом заводе // Сборник материалов X Региональной научно-практической студенческой конференции "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" - Томский политехнический университет, 1 - 4 июня 2010 г., С.107-110

59. Сайт насосного завода [Электронный ресурс] - URL:http://nasos-zavod.ru/konsolnie.html (Дата обращения: 18.02.2014)

60. Серебряков А.В., Крюков О.В. Анализ энергетических характеристик высоковольтных преобразователей частоты для регулирования скорости турбокомпрессоров // сборник трудов XVI Международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» - ЭППТ 2015, Екатеринбург, 05-09 октября 2015 г. С. 71-74

61. СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения

62. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием // М.: Академия, 2006. - 265 с.

63. Станции управления насосами ООО «НТ-Проект» (г.Киев) // сайт компании «Новейшие технологии» [Электронный ресурс]; URL:http://tracemode.com.ua/stancii upravlenija nasosami.html (Дата обращения: 24.10.2013)

64. Суднова В.В. Качество электрической энергии //М.: ЗАО Энергосервис, 2000.- 80 с.

65. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов // М.: Академия, 2005. - 300 с.

66. Технический каталог, издание второе исправленное и дополненное // Владимирский электромоторный завод , 74 с,С.10

67. Тулендинова А.К. Способы энергосбережения для насосных агрегатов // сборник материалов XVI международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», НИ ТПУ, 1 - 4 июня 2010, С.111-115

68. Удо Леонард Тил, Майк Гриз Регулируемый электропривод c синусоидальным фильтром [Электронный ресурс] -URL:http://controlengrussia.com/innovatsii/reguliruemyi-ehlektroprivod-c-sinusoidalnym-filtrom/ (Дата обращения: 14.05.2014)

69. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями / Учебное пособие по дисциплинам электромеханического цикла, С-Пб 2002.

70. Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики // Учебник для вузов. - 2-изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985 - 368 с.

71. Хусаинов Р.Г. Преобразователи частоты на насосах: ставить или не ставить? // Насосы&Оборудование № 4(75)-5(76) 2012, С.64-65, URL: http://www.allpumps.kiev.ua (Дата обращения: 28.11.2012)

72. Хусаинов Р.Г. Частотные преобразователи: критерии выбора // ТехСовет №4(67), 27.04.2009

73. Частотно-регулируемый привод [Электронный ресурс]; URL:http://ru.wikipedia.org/wiki/Частотно-регулируемый_привод (дата обращения: 13.10.2013)

74. Частотные преобразователи (инверторы) [Электронный ресурс] - URL: http://kontmotor.ru/avtomatika/chastotnye_preobrazovateli.html (Дата обращения: 8.12.2013)

75. Частотный преобразователь, выбор, векторные и скалярные преобразователи частоты / сайт ООО "Радуга" [Электронный ресурс]; URL: http://dataural.ru/stati/23900/page/1/ (дата обращения: 26.09.2013)

76. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1984. - 416 с., ил

77. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink // М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.

78. Шилин А .Н., Зенина Е. Г., Арванитаки Н. В.: Анализ энергетических частотных характеристик асинхронного двигателя // ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ - 2009.09, С. 80-83

79. Шляхтин С.А. Сокращение потерь в электродвигателе при частотном регулировании за счет корректировки закона регулирования преобразователя // Сервис в России и за рубежом № 2 / 2009. М.: ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», С.139-142

80. Шувалов Г.А. Экономия электроэнергии с помощью частотного преобразователя / Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, №2/2012.

81. Щека В.М. Снижение потерь при работе чатотно-управляемого электропривода // Сборник материалов научно-технической конференции "Мехашка, машинознавство та електропостачання" Харьковский университет Воздушных Сил им. И. Кожедуба, Харьков, С.133-136

82. Экономия энергопотребления - основная задача изготовителей насосного оборудования // учредитель ООО Издательский дом «Медиа технолоджи»: Сантехника, отопление, кондиционирование, 8/2006

83. Электродвигатели WEG, управляемые от преобразователей частоты / Техническое руководство, фирма WEG - С. 14

84. Ю. Г. Осадчук, к.т.н., доц., А. Б. Сёмочкин, к.т.н., доц., В. А. Федотов, ст. преп., Д. А. Шкурко, асп. Анализ влияния величины эксцентриситета ротора асинхронного

электродвигателя на пиковое значение электромагнитного момента при прямом включении в сеть // Проблеми енергоресурсозбереження в електротехшчних системах. Наука, осв^а i практика № 1/2011 (1)

85. Юхименко М. Ю., Домбровский Е. А. Определение потерь мощности в асинхронном двигателе с питанием от преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией // Сборник материалов научно-технической конференции " Електромехашчш системи, методи моделювання та оптимiзащi" Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского, С.153-154

86. Schneider Electric - Руководство по устройству электроустановок 2009. Управление гармониками., 20 с.