вплив широтно-імпульсної модуляції на похибку індукційних лічильників електроенергії та на втрати в асинхронному двигуні

Вплив широтно-імпульсної модуляції на похибка індукційних лічильників електроенергії та на втрати в асинхронному двигуні

А. П. Попов, А. О. Чугулёв, А. А. Горшенков, С. М. Клеванський

Сибірська державна автомобільно-дорожня академія (СибАДИ)

Наведено результати дослідження похибки індукційних лічильників електричної енергії, а також електричних втрат в асинхронному двигуні в умовах високого рівня гармонік в кривих струму і напруги при використанні частотного перетворювача фірми 'Mitsubishi' (E 500 FR - E 540-5,5 K - EC) в як джерело несинусоидального напруги. Показано, що похибка індукційних лічильників електроенергії та електричні втрати в асинхронному двигуні при несинусоїдних режимах в ланцюгах з ШІМ зростають на кілька десятків відсотків.

Як відомо, в системах електропостачання в зв'язку зі збільшенням споживачів електроенергії, які працюють в імпульсному режимі, а також систем з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), частотних перетворювачів в системах електроприводів з асинхронними двигунами, нелінійних навантажень, тиристорних перетворювачів і т.п. виникає високий рівень вищих гармонік.

У зв'язку з цим питання вимірювання електричної енергії в цих умовах залишається актуальним, незважаючи на те, що питань вимірювання електричної енергії, як при синусоїдальних режимах, так і в умовах несинусоїдальності електромагнітних процесів, присвячено значну кількість робіт, наприклад [1: 6] .

Для вимірювання електричної енергії в системах електропостачання в даний час застосовуються як індукційні, так і електронні лічильники електроенергії. Причому останні найчастіше будуються на основі аналогово-цифрових перетворювачів з використанням мікропроцесорних обчислювачів, т. Е. В процесі обчислення електроенергії застосовується дискретизація вимірювань за часом і квантування вхідних сигналів, пропорційних поточним значенням струму і напруги на навантаженні, що неминуче породжує похибка обчислення енергії.

У даній роботі представлені результати дослідження похибки індукційних лічильників електричної енергії, а також втрат потужності в асинхронному двигуні в умовах високого рівня гармонік в кривих струму і напруги. При цьому був використаний спеціальний електронний лічильник електричної енергії, що дозволяє отримати достовірну інформацію в умовах несинусоїдальності, викликаної ШІМ.

Як такого електронного лічильника використаний спеціально розроблений для цих цілей електронний лічильник, що забезпечує з досить високою точністю обчислення поточного значення електроенергії в порівнянні з індукційним лічильником, відповідно до вираження:

, (1)

де - Миттєве значення напруги на навантаженні;

- Миттєве значення струму навантаження;

- Поточний час вимірювання.

У структурній схемі такого лічильника як перемножителя миттєвих значень і використовується імпульсна Перемножуючий пристрій, імпульсний інтегратор і цифровий лічильник імпульсів, що дозволяє забезпечити сумарну похибка вимірювання поточного значення електроенергії порядку декількох десятих часток відсотка (0,1¸0,2%) в умовах високого рівня вищих гармонік на частотах кратних 50 Гц, аж до частот в кілька десятків кілогерц, і використовувати його як зразкове засіб вимірювання електричної енергії.

У даній роботі не ставиться мета опису повної структурної та принципової електричної схем такого лічильника (зацікавленим організаціям і установам така інформація може бути надана). Одне із завдань полягає у визначенні можливого рівня похибки індукційного лічильника в несинусоїдних режимах з високим рівнем спотворення кривих струму і напруги на навантаженні.

Дослідження проводилися з використанням частотного перетворювача (ПП) Mitsubishi E 500 FR - E 540-5,5 K - EC з номінальною потужністю 5,5 кВт. Як навантаження використовувалися нагрівальні елементи і асинхронний двигун. Структурна схема установки з нагрівальними елементами і тимчасові діаграми струмів і напруг представлені на рис. 1 і рис. 2 .

Мал. 1. Структурна схема установки: Wh 1, Wh 3 - індукційні лічильники електроенергії СО 505; Wh 2, Wh 4 - електронні лічильники електроенергії; ТТ - трансформатор струму; ДН - датчик напруги; ПП - частотний перетворювач; R н - опір навантаження.

Перед проведенням експерименту в умовах несинусоїдальності попередньо була здійснена перевірка на ідентифікацію показань електронних та індукційних лічильників при роботі на одну і ту ж навантаження в режимі близькому до синусоїдальної. Схема включення приладів представлена на рис. 3. Тимчасова діаграма кривої напруги на навантаженні наведена на рис. 2а .

а)

б)

в)

Мал. 2. Тимчасові діаграми фазних напруг (а і в) і фазних струмів (б і в)

на вході і виході ПП для випадку лінійної активного навантаження

Мал. 3. Схема перевірки індукційних і електронних лічильників на

ідентифікацію показань при режимі близькому до синусоидальному

При проведенні експерименту використано такий режим роботи частотного перетворювача:

- Частота основної гармоніки напруги на виході ПП f = 50 Гц;

- Частота ШІМ напруги на виході ПП - 1 кГц;

- Опір навантаження частотного перетворювача _R H = 38 Ом (режим близький до номінального)

Було проведено кілька досвідів з досить точним виміром часу роботи лічильників електроенергії та реєстрацією їх свідчень.

За свідченнями електронних лічильників електроенергії визначено середнє значення коефіцієнта корисної дії частотного перетворювача при вказаній навантаженні:

де - Середнє значення потужності на виході ПП;

- Середнє значення споживаної ПП потужності;

(Середньоквадратичне відхилення показань від середнього значення становило 0,05%)

В результаті проведених вимірювань за схемою рис. 1 були встановлені відносні значення різниць показань електронних та індукційних лічильників електроенергії в процентах по входу і виходу ПП, які з урахуванням статистичної обробки склали наступні значення:

, .

З отриманих результатів випливає, що при одних і тих же значеннях навантаження в умовах несинусоїдних режимів в ланцюгах з ШІМ, основна похибка індукційних лічильників електроенергії в кілька десятків разів перевищує їх основну похибку при синусоидальном режимі.

Наведені результати дослідження отримані, як уже згадувалося, для лінійної активного навантаження. У зв'язку з тим, що ПП використовуються в основному для харчування асинхронних двигунів (АД) з метою регулювання оборотів, був проведений експеримент по визначенню втрат потужності в АД при живленні його від ПП Mitsubishi E 500 FR - E 540-5,5 K - EC . Для експериментальних досліджень був використаний асинхронний двигун АІР100 L 2 Y 3 (ном. Потужність 5.5 кВт, 3000 об / хв). Як навантаження АД застосований навантажений на нагрівач генератор постійного струму зі змішаним збудженням. Попередньо проводилося вимірювання потужності споживаної АТ і навантаженням при синусоидальном режимі. Після обробки експериментальних даних було встановлено, що при харчуванні АД від ПП при інших рівних умовах втрати потужності в АД зростають на 30% в порівнянні з синусоїдальним режимом. Це призводить до зміни теплового режиму роботи АД і необхідності зниження його навантаження. Причини зростання втрат в АД при несинусоїдальних режимах відомі і в даній роботі не обговорюються. Головна мета полягала у встановленні рівня цих втрат.

висновки:

1. Вперше експериментально встановлено рівень основної похибки (десятки відсотків) індукційних лічильників електричної енергії в умовах несинусоїдальності, створюваної ШІМ.

2.    Втрати в регульованих асинхронних двигунах, харчування яких здійснюється від ПП, також зростає в порівнянні зі стандартним режимом харчування на декілька десятків відсотків, що призводить до перегріву АТ і необхідності зниження потужності навантаження.