Рассматриваются вопросы влияния гармоник тока сети питания на работу асинхронных двигателей в условиях современного энергоемкого предприятия. Предложено использовать динамическое тестирование для диагностирования работы электрических двигателей переменного тока при питании от общей сети. Определено влияние работы частотно-регулируемых электроприводов на общую сеть питания. Происходят искажения синусоидальной формы тока сети. Получен гармонический состав и величины амплитуд высших гармоник в распределениях фазных напряжений и токов исследуемых асинхронных двигателей. Проанализирована работа электродвигателей переменного тока при питании от общей сети с выключенными и включенными частотно-регулируемыми электроприводами. Выявлены последствия работы электрических двигателей переменного тока при работе с несинусоидальных распределением фазных токов во времени. Выявлены отклонения в параметрах общей сети, от которой работают электродвигатели, которые могут привести к выходу из строя электрических машин. Доказано, что при питании электродвигателей переменного тока от сети с частотно-регулируемыми электроприводами, в спектре вращающего момента появляются пульсации на частотах, не присущих нормальной работе. Выявлены особенности осуществления балансировки вращающихся частей агрегатов при работе частотно-регулируемых электроприводов в общей электрической сети. Предложены способы решения этой проблемы.
Несомненно, наибольшую долю электрических машин, используемых в промышленности, составляют асинхронные двигатели (АД). Поэтому важным является обеспечение их эффективной работы и своевременное выявление причин, которые могут привести к их выходу из строя. Известно, что в АД больше изнашиваются и повреждаются подшипниковые опоры, обмотки сердечника магнитопровода [1, 2].
Дефекты составных частей электромагнитной системы АД - дефекты сердечников статора и ротора, неравномерность воздушного зазора - проявляются непосредственно в спектрах тока, напряжения и, как следствие, вращающего момента. Итак, дефекты электромагнитной системы приводят к асимметрии и искажению синусоидального распределения тока. На данный момент существует большое количество публикаций, посвященных методам контроля технического состояния и диагностики АД [3,4]. Но мало какие из методов контроля могут точно определить и указать на отклонение и дефекты, возникающие при работе двигателя. В частности, самый прогрессивный метод для электрических машин - вибродиагностика - не может точно и уверенно определить место возникновения дефекта. Но не только дефекты самого АД приводят к искажению синусоидального распределения напряжения и тока.
Нестабильность величины напряжения в сети питания, наличие сопутствующего электрооборудования и включенного в сеть питания большого количества частотно-регулируемых приводов - все это также приводит к тому, что напряжение сети и токи имеют искаженную синусоиду и содержат значительное количество высших гармоник с довольно большими амплитудами [5]. То есть кроме внутренних причин есть и внешние. Отклонение величины напряжения и пульсации ее гармоник в сети питания общего назначения нормировано соответствующим стандартом [6], при этом напряжения интергармоник пока не лимитируются вообще из-за недостаточного исследования их влияния (уровень интергармоник увеличивается из-за роста количества преобразователей частоты). Основой системы частотного управления является преобразователь частоты, который формирует напряжение нужной частоты, то есть влияет на качество напряжения и тока питания.
И если АД с частотным управления имеют определенную защиту от этого, то обычные АД питаются тем, что есть. Целью работы является оценка влияния высших гармоник тока, которые возникают в сети питания от работы другого электрооборудования, на работу обычного АД у которого нет специальной системы питания и управления, в условиях современного энергоемкого предприятия. Задачей работы является предоставление рекомендаций по эксплуатации двигателей в различных режимах их работы - включенных и включенных в сеть питания частотно-регулируемых приводов.
Влияние высших гармоник тока на работу электрооборудования. Метод определения неисправностей с помощью анализа спектров токов и вращающего момента основан на том, что неисправности в работе электрической и механической частей электрического двигателя и связанного с ним устройства приводят к изменениям магнитного потока в воздушном промежутке электрической машины, а, следовательно, к модуляции входного тока [7]. Измерение напряжения и токов позволяет определить несимметрию, несинусоидальность и гармоники, возникающие при работе с частотно-регулируемыми электроприводами (ЧРЭ), то есть факторов, влияющих на срок службы двигателя. Измерения могут выполняться при подключении датчиков тока и напряжения измерительного комплекса непосредственно в щите питания без изменения режима работы электрической машины, то есть в любом динамическом режиме под нагрузкой. При несинусоидальности, несимметрии напряжений и токов происходит ускоренное старение изоляции электрических машин, а также трансформаторов, конденсаторов и кабелей. При этом в изоляционных материалах при рабочих температурах протекают химические реакции, приводящие к постепенному изменению их изоляционных и механических свойств.
С увеличением температуры эти процессы ускоряются, сокращая сроки службы оборудования. Основными последствиями влияния высших гармоник на оборудование: • изменение формы кривых (синусоиды) напряжения и токов в сети электроснабжения; • снижение эффективности процессов генерации, передачи, использования электроэнергии; • изменения тепловых режимов, старение изоляции электрооборудования и сокращения вследствие этого срока его службы; • некорректная работа оборудования. Кроме этого высшие гармоники напряжения и тока, имеют большую амплитуду, приводят к увеличению дополнительных потерь в обмотке статора, а также в сердечниках статора и ротора.
Дополнительные потери - одно из самых негативных явлений, вызываемое гармониками во вращающихся машинах. Они приводят к повышению общей температуры машины, местных перегревов в статоре и роторе [8]. Дополнительные потери в проводниках статора и ротора также могут быть вызваны увеличением вихревых токов (токов Фуко). Потери на вихревые токи обусловлены тем, что магнитные поля индуцируют ЭДС в стальном сердечнике и проводниках. Под действием этих ЭДС при наличии электрических цепей замыкания по элементам электрических двигателей протекают токи. Именно эти токи и вызывают появление дополнительных потерь. Вихревые токи создают свои магнитные потоки на валу электрической машины. В результате создаются пульсации вращающего момента на валу двигателя. В экстремальных случаях может возникнуть вибрация на резонансной частоте вращающейся массы ротора, при взаимодействии с основным магнитным потоком, который создаёт дополнительные механические моменты и приведет к накоплению усталости металла и изгибу или излому вала электродвигателя.
Принципы проведения тестирования электрических двигателей. Для оценки последствий несинусоидальности напряжений и токов по внешним причинам (отклонение по напряжению и току питающей сети в результате работы другого электрооборудования) было проведено динамическое тестирование обычных АД для двух предельных случаев - при включенных и выключенных ЧРЭ к той же сети питания. Исследования проводились для АД типа 4АМУ225М4 номинальной мощностью 55 кВт привода вентилятора нагнетания воздуха и АД типа FCMP3155-4 с номинальной мощностью 110 кВт привода насоса главной гидравлической системы (рис. 1)
Тестирование проводилось динамическим анализатором Explorer4000 (MeggerBaker) [9]. Измерялись фазные напряжения, и токи обмоток статора в реальном времени. Зафиксированные мгновенные значения измеренных величин предоставляются в виде таблиц, зависимостей, осциллограмм через интерфейс динамического анализатора. Отклонение распределений напряжений и токов во времени от синусоидальной формы рассчитываются программным обеспечением прибора на основании технических характеристик электрического двигателя. Зависимости вращающего момента от частоты (диапазоны моментов) и времени получаются через решение математической модели электрической машины с использованием программного обеспечения динамичного анализатора. Присоединение соединительной и пусковой аппаратуры осуществлялось на щите питания для каждой системы управления (рис. 2)
Для определения степени влияния работы ЧРЭ на работу указанных АД был выполнен ряд тестов: при включении ЧРЭ к одной сети с исследуемым двигателем; при выключении ЧРЭ на время работы двигателя; при присоединении ЧРЭ и исследуемого двигателя к различным сетям. Динамическое тестирование проводилось в условиях реальной эксплуатации, то есть режим работы и нагрузки АД определялись функционированием (циклом работы) агрегатов.
Результаты тестирования асинхронного двигателя 4АМУ225М4 при выключенных ЧРЭ. При выключенных ЧРЭ тестирования АД показало, что при синусоидальной формы распределения напряжения распределение тока несколько искажается (рис. 3). В распределении тока наблюдаются более высокие гармоники, которые прилагаются к первой основной. Высшие гармоники тока оговариваются явлениями преобразования энергии в самом двигателе.
Анализ гармонического состава фазных напряжений и токов (рис. 4) показывает, что наибольшими являются гармоники третьего, пятого, седьмого и одиннадцатого порядка.
Относительные амплитуды гармоник фазных напряжений находятся в пределах допустимого стандартом отклонения [6]. Так, для гармоник 3-го порядка средняя (между тремя фазными) относительная амплитуда напряжения составляет 0,223% (при нормированном максимальном значении 3%),5-го - 0,173% (при 5%), 7-го - 0,387% (при 3%). Такие отклонения свидетельствуют об одинаковости и синусоидальности фазных напряжений. Средние значения коэффициентов нелинейных искажений напряжения (THD V) составляют 0,5%, тока (THD I) - 3,1% (рис. 5). Следовательно, качество напряжения с гармоничным составом является удовлетворительной.
При отсутствии воздействий со стороны сети распределение фазных токов асинхронного двигателя определяется свойствами самого двигателя. Появление высших гармоник в распределении тока во времени свидетельствует о несинусоидальность распределения МДС в воздушном промежутке асинхронного двигателя. Эта несинусоидальность обусловлена как строением двигателя, так и дефектами, которые возникли при эксплуатации или ремонте, что приводят к электрической и магнитной несимметрии фазных обмоток статора. Наличие четных гармоник определяется магнитной несимметрией асинхронного двигателя через разное количество витков фазных обмоток статора или эксцентриситет ротора. Если фазные токи асинхронного двигателя одинаковые, то электрическая и магнитная несимметрия от обмотки статора отсутствует. Относительно исследуемого асинхронного двигателя можно сделать следующие выводы: так, что амплитуда четных гармоник не превышает 0,25% от амплитуды первой гармоники, эксцентриситет ротора находится в пределах допустимого. Нечетные гармоники существуют в распределении фазных токов из-за особенностей конструктивного исполнения обмоток статора машин переменного тока - обмотки распределены по пазам. Амплитуда гармоник уменьшается с увеличением номера гармоники, и после одиннадцатой становится исчезающе малой. Гармоники тока третьего и кратного трем порядка уничтожаются полностью при соединении фазных обмоток статора по схеме «звезда» и не передаются в сети. Для исследуемого двигателя средние значения гармоник 3-го порядка для фазных токов составляет 1,446%, 5-го - 2,375%,7-го - 1,228%, 11-го - 0,399%.
Наличие высших гармоник в распределениях фазных напряжений и токов вызывает пульсации вращающего момента, что в свою очередь приводит к повышенной вибрации асинхронного двигателя и всего агрегата в целом. По спектру вращающего момента асинхронного двигателя выявляются причины вибрации. В спектре вращающего момента наблюдаются пики, которые имеют электромагнитную или электродинамическую природу происхождения, то есть связанные с принципом действия электрической машины, всегда сопровождают ее работу и не всегда есть признаком дефектов [10]. На частоте 50 Гц, то есть частоте сети питания, пик момента соответствует пульсации электромагнитного момента двигателя. Пики моментов, которые наблюдаются на частотах, кратных двойной частоте сети питания, то есть 100 Гц, 200 Гц, 300 Гц и т. д, связанные с магнитострикцией - явлением, которое происходит при вращении магнитного поля электрической машины.
При каждом обороте магнитного поля происходит двойное изменение пространственной ориентации доменов (элементарных намагниченных ферромагнитных частиц материалов сердечника), что и вызывает вибрации сердечника электрической машины. Пик момента на частоте до 10 Гц возникает в асинхронных двигателя через имеющуюся разницу между частотами вращения магнитного поля статора и самого ротора. Эта частота получила название частота скольжения. Пик момента на частоте 25 Гц наблюдается в четырёхполюсных электрических машинах.
Признаком наличия дефекта в электрической машине есть увеличение амплитуды пиков в спектре вращающего момента выше некоторого уровня, который является пределом нормального состояния оборудования. При работе асинхронного двигателя 4АМУ225М4 при отключенных ЧРЭ в спектре момента наблюдаются пики, которые оговариваются принципом работы двигателя (рис. 6).
Значение пиков моментов на частотах, не равны частоте сети, не превышают пике электромагнитного момента. Так пик момента на частоте 50 Гц составил 2,4 Н • м, на частоте 300 Гц - 0,4 Н • м. На основании анализа спектра момента можно выявить признаки несбалансированности агрегата или дефекты электрического двигателя.
Пики момента на определенной частоте свидетельствуют о возможном наличии конкретного вида дефекта. Но уверенно о наличии дефекта можно говорить только при наличии серий тестов, выполненных за некоторый промежуток времени при одинаковых режимах работы оборудования и электросети. Наличие высших гармоник в распределении фазных токов, пиков в спектре момента АД приводят к появлению пульсаций вращающего момента. Именно эти пульсации вызывают вибрацию электрической машины и повышенный нагрев.
Величина пульсаций вращающего момента определяется как разница максимального и устойчивого моментов. Для относительного значения пульсаций используется процентное отношение разности моментов в устоявшегося момента. Для асинхронного двигателя 4АМУ225М4 при выключенных ЧРЭ пульсации вращающего момента в течение времени работы достигают 164% от рабочего момента (рис. 7).
Результаты тестирования асинхронного двигателя 4АМУ225М4 при включенных ЧРЭ. Для выявления влияния работающих ЧРЭ на работу электрических двигателей асинхронный двигатель 4АМУ225М4 тестировался при всех включенных в общую сеть ЧРЭ. Синусоидальная форма распределения напряжения сохранялась, что свидетельствовало о правильности устройства трехфазной электрической сети. Распределение тока (рис. 8) искажается значительно сильнее, чем при выключенных ЧРЭ.
По гармоническому составу распределения фазных токов было выявлено увеличение порядков и амплитуд высших гармоник (рис. 9). Так, пятая гармоника увеличилась в 3,7 раза, седьмая - в 2,9 раз, одиннадцать - в 2,9 раз, тринадцатая - в 2,8 раз.
Средние значения коэффициентов нелинейных искажений напряжения (THD V) увеличиваются в 4 раза, тока (THD I) - в 3 раза (рис. 10) по сравнению с выключенными ЧРЭ.
Такое увеличение порядков и амплитуд высших гармоник привело к повышению значений пиков моментов в спектре (рис. 11). показательным было значение пике момента на частоте 300 Гц, которое составляло 4 Н•м, что превышало в 10 раз пик момента на той же частоте при выключенных ЧРЭ. Кроме того, это значение превысило пик момента на частоте 50 Гц на 23%.
Пульсации вращающего момента в течение времени работы составили 61% от рабочего момента (рис. 12).
Особенности балансировки вращающихся частей агрегатов с электрическими двигателями, которые питаются от сети с включенными и выключенными ЧРЭ. Уменьшение пульсаций вращающего момента при включенных ЧРЭ в сравнении с выключенными ЧРЭ объясняется тем, что балансировка рабочего колеса насоса нагнетания воздуха - установки, где работает исследуемый двигатель - осуществлялось при ЧРЭ, включенных в общую сеть в том же составе и в тех же режимах работы, при которых происходило динамическое тестирование асинхронного двигателя. Работы по балансировке рабочего колеса такого агрегата достаточно сложные, потому что требуют балансировки отдельно колеса и только потом окончательного балансирования всего агрегата. При проведении работ по балансировке рабочего колеса в составе агрегата выяснилось, что угол сдвига фаз гармонических составляющих колебаний постоянно меняется во времени, наблюдается так называемый нестационарный дисбаланс [10]. Выявлено прямое влияние режимов работы соседних электрических машин с ЧРЭ (пуск или остановка). Следовательно, при таких условиях работы сети достаточно сложно выполнять балансировку оборудования через существенные отклонения параметров электросети. При включении ЧРЭ амплитуды высших гармоник растут в несколько раз, так значение пике момента на частоте 300 Гц возросло в 10 раз по сравнению с тестом при выключенных ЧРЭ. В то же время, при отключении ЧРЭ, пульсации вращающего момента протестированного асинхронного двигателя увеличиваются в 2,7 раза (с 61% до 164%). Такой уровень пульсаций, а, следовательно, и вибрации, недопустим и является разрушительным для агрегата. Но это влияние зависит от балансировки рабочего колеса вентилятора, так и от параметров системы питания. При балансировке устраняются или компенсируются, последствия искажения распределения фазных токов во времени и пульсаций в диапазоне момента. Но при изменении режима работы ЧРЭ, их включении или выключении пульсации вращающего момента увеличиваются и становятся непредсказуемыми.
Результаты тестирования асинхронного двигателя типа FCMP3155-4 при включенных ЧРЭ. Динамическое тестирование асинхронного двигателя при выключенных и включенных ЧРЭ. При выключенных ЧРЭ зафиксировано среднее значение коэффициента THD V 0,5%, что свидетельствует об удовлетворительном состоянии сети электроснабжения. При включенных ЧРЭ наблюдалось ухудшение качества напряжения, о чем свидетельствует форма распределения фазного напряжения во времени (рис. 13).
Несинусоидальность фазного напряжения и влияние ЧРЕ привела к увеличению порядков и амплитуд высших гармоник (рис. 14).
Наблюдалась появление тринадцатой гармоники и увеличение амплитуды третьей, пятой и седьмой гармоник. Среднее значение гармоники тока пятого порядка составляла 6,232%, седьмой - 4,565%, одиннадцати - 0,929%, тринадцатой - 0,775%. Среднее значение коэффициента THD V составило 1,9%, THD I - 8,3% (рис. 15).
В спектре момента наблюдался пик момента 6,24 Н • м при частоте 300 Гц, что является соразмерным с пиком момента на основной частоте (рис. 16).
Это подтвердили и результаты полученые при тестировании АД типа 4АМУ225М4, там также возрастала величина пика на частоте 300 Гц. Пульсации вращающего момента для АД типа FCMP3155-4 составляли 126,24%. Негативное влияние несинусоидальности фазных токов позволяет выявить тепловизионная съемка. Количественный анализ термограмм позволяет оценить степень отклонений по тепловым режимам электродвигателей. Термография одних и тех же асинхронных двигателей, работавших с одинаковой нагрузкой в одинаковом рабочей среде и при одинаковом охлаждении, позволила подтвердить влияние несинусоидальности фазных токов на тепловое состояние двигателей (рис. 17).
Наблюдалось повышение общей температуры асинхронного двигателя, увеличение площади поверхности нагрева корпуса при работе с отклонениями качества электроэнергии. Температуры контрольных зон на корпусе двигателя изменилась от 39,3 ° С при отключенных ЧРЕ до 54,2 ° С при включенных ЧРЕ. Выводы. В последние несколько десятков лет происходят изменения характера нагрузки электросетей. Внедрение на предприятиях частотно-регулируемых электроприводов, преобразовательных установок, электронных регуляторов частоты вращения двигателей приводит к резкому увеличению высших гармоник тока в электросети.
Мощность гармоник, отдаваемые нагрузкой к электросети, в ближайшие годы будет только увеличиваться. Возникает необходимость контроля гармоник напряжения и токов и их влияния на электрические машины. Уровень гармоник должен постоянно находиться в допустимых пределах согласно стандартам и требованиям эксплуатации оборудования.
Нарушение допустимого уровня приводит к перебоям в работе и отказов оборудования: сгорание обмоток электродвигателей, непредсказуемой вибрации и выхода из строя подшипников электрических машин, ложных срабатываний защитной аппаратуры. Метод тестирования наиболее эффективно позволяет выявлять отклонения в качестве потребляемой электроэнергии, дефекты электрических машин при работающем оборудовании. Из приведенных результатов тестирования видно, что препятствия, которые возникают в сети, имеют высокочастотные составляющие - гармоники третьего, пятого, седьмого, одиннадцатого и даже тринадцатого порядков. Прибавляясь к основной гармоники, высшие гармоники обусловливают повышение действующего значения напряжения на электрических двигателях и искажения синусоидального распределения напряжения во времени. Наиболее уязвимыми в АД являются обмотки статора и ротора, где возникают дополнительные электрические потери. Несинусоидальное распределение магнитного поля в асинхронном двигателе обусловливает возникновение дополнительных магнитных потерь в сердечниках статора и ротора. При наличии этих негативных факторов увеличивается вибрация в опорах электрических двигателей, повреждая подшипниковые узлы. Улучшение качества электрической энергии, позволит увеличить срок службы электрических машин, повысить их надежность и экономическую эффективность из-за снижения потерь электроэнергии. Снижение влияния высших гармоник тока и напряжения является одной из важных задач повышения качества электроэнергии. Для снижения уровня высших гармоник в электрических сетях, особенно при наличии частотно-регулируемых электроприводов, необходимо создавать рациональную схему электроснабжения с применением фильтрокомпенсирующие устройств, антигармоничних реакторов, линейных дросселей, активной и пассивной фильтров и конденсаторов гармоник, LС-фильтров [11]. Следует заметить, что главная особенность современных фильтров - это их многофункциональность, то есть положительное влияние на несколько параметров качества электроэнергии систем электроснабжения.
