влияние широтно-импульсной модуляции на погрешность индукционных счетчиков электроэнергии и на потери в асинхронном двигателе

Влияние широтно-импульсной модуляции на погрешность индукционных счетчиков электроэнергии и на потери в асинхронномдвигателе

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

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Приведены результаты исследования погрешности индукционных счетчиков электрической энергии, а также электрических потерь в асинхронном двигателе в условиях высокого уровня гармоник в кривых тока и напряжения при использовании частотного преобразователя фирмы 'Mitsubishi' (E500 FR-E540-5,5K-EC) в качестве источника несинусоидального напряжения. Показано, что погрешность индукционных счетчиков электроэнергии и электрические потери в асинхронном двигателе при несинусоидальных режимах в цепях с ШИМ возрастают на несколько десятков процентов.

       Как известно, в системах электроснабжения в связи с увеличением потребителей электроэнергии, работающих в импульсном режиме, а также систем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), частотных преобразователей в системах электроприводов с асинхронными двигателями, нелинейных нагрузок, тиристорных преобразователей и т.п. возникает высокий уровень высших гармоник.

     В связи с этим вопрос измерения электрической энергии в этих условиях остается актуальным, несмотря на то, что вопросам измерения электрической энергии, как при синусоидальных режимах, так и в условиях несинусоидальности электромагнитных процессов, посвящено значительное количество работ, например [1:6].

      Для измерения электрической энергии в системах электроснабжения в настоящее время применяются как индукционные, так и электронные счетчики электроэнергии. Причем последние чаще всего строятся на основе аналогово-цифровых преобразователей с использованием микропроцессорных вычислителей, т. е. в процессе вычисления электроэнергии применяется дискретизация измерений по времени и квантование входных сигналов, пропорциональных текущим значениям тока и напряжения на нагрузке, что неизбежно порождает погрешность вычисления энергии.

      В данной работе представлены результаты исследования погрешности индукционных счетчиков электрической энергии, а также потерь мощности в асинхронном двигателе в условиях высокого уровня гармоник в кривых тока и напряжения. При этом был использован специальный электронный счетчик электрической энергии, позволяющий получить достоверную информацию в условиях несинусоидальности, вызванной ШИМ.

     В качестве такого электронного счетчика использован специально разработанный для этих целей электронный счетчик, обеспечивающий с достаточно высокой точностью вычисление текущего значения электроэнергии  по сравнению с индукционным счетчиком, в соответствии с выражением:

,                                                  (1)

где - мгновенное значение напряжения на нагрузке;

 - мгновенное значение тока нагрузки;

  - текущее время измерения.

        В структурной схеме такого счетчика в качестве перемножителя мгновенных значений  и  используется импульсное перемножающее устройство, импульсный интегратор и цифровой счетчик импульсов, что позволяет обеспечить суммарную погрешность измерения текущего значения электроэнергии порядка нескольких десятых долей процента (0,1¸0,2%) в условиях высокого уровня высших гармоник на частотах кратных 50 Гц, вплоть до частот в несколько десятков килогерц, и использовать его как образцовое средство измерения электрической энергии.

      В данной работе не ставится цель описания полной структурной и принципиальной электрической схем такого счетчика (заинтересованным организациям и учреждениям такая информация может быть предоставлена). Одна из задач состоит в определении возможного уровня погрешности индукционного счетчика в несинусоидальных режимах с высоким уровнем искажения кривых тока и напряжения на нагрузке.

Исследования проводились с использованием частотного преобразователя (ЧП) Mitsubishi E500 FR-E540-5,5K-EC с номинальной мощностью 5,5 кВт. В качестве нагрузки использовались нагревательные элементы и асинхронный двигатель. Структурная схема установки с нагревательными элементами и временные диаграммы токов и напряжений представлены на рис. 1 и рис. 2.

Рис. 1. Структурная схема установки: Wh1, Wh3 - индукционные счетчики электроэнергии СО 505; Wh2, Wh4 - электронные счетчики электроэнергии; ТТ - трансформатор тока; ДН - датчик напряжения; ЧП - частотный преобразователь; Rн - сопротивление нагрузки.

Перед проведением эксперимента в условиях несинусоидальности предварительно была осуществлена проверка на идентификацию показаний электронных и индукционных счетчиков при работе на одну и ту же нагрузку в режиме близком к синусоидальному. Схема включения приборов представлена на рис. 3. Временная диаграмма кривой напряжения на нагрузке приведена на рис. 2а.

а)    

б)    

в)  

Рис. 2. Временные диаграммы фазных напряжений (а и в) и фазных токов (б и в)

на входе и выходе ЧП для случая линейной активной нагрузки

Рис. 3. Схема проверки индукционных и электронных счетчиков на

идентификацию показаний при режиме близком к синусоидальному

При проведении эксперимента использован следующий режим работы частотного преобразователя:

- частота основной гармоники напряжения на выходе ЧП f = 50 Гц;

- частота ШИМ напряжения на выходе ЧП - 1 кГц;

- сопротивление нагрузки частотного преобразователя R_H = 38 Ом (режим близкий к номинальному)

Было проведено несколько опытов с достаточно точным измерением времени работы счетчиков электроэнергии и регистрацией их показаний.

По показаниям электронных счетчиков электроэнергии определено среднее значение коэффициента полезного действия частотного преобразователя при указанной нагрузке:

где  - среднее значение мощности на выходе ЧП;

  - среднее значение потребляемой ЧП мощности;

(Среднеквадратическое отклонение показаний от среднего значения составляло 0,05%)

     В результате проведенных измерений по схеме рис. 1 были установлены относительные значения  разностей показаний электронных и индукционных счетчиков электроэнергии в процентах по входу и выходу ЧП, которые с учетом статистической обработки составили следующие значения:

, .

      Из полученных результатов следует, что при одних и тех же значениях нагрузки в условиях несинусоидальных режимов в цепях с ШИМ, основная погрешность индукционных счетчиков электроэнергии в несколько десятков раз превышает их основную погрешность при синусоидальном режиме.

        Приведенные результаты исследования получены, как уже упоминалось, для линейной активной нагрузки. В связи с тем, что ЧП используются в основном для питания асинхронных двигателей (АД) с целью регулирования оборотов, был проведен эксперимент по определению потерь мощности в АД при питании его от ЧП Mitsubishi E500 FR-E540-5,5K-EC. Для экспериментальных исследований был использован асинхронный двигатель АИР100L2Y3 (ном. мощность 5.5 кВт, 3000 об/мин). В качестве нагрузки АД применен нагруженный на нагреватель генератор постоянного тока со смешанным возбуждением. Предварительно проводилось измерение мощности потребляемой АД и нагрузкой при синусоидальном режиме. После обработки экспериментальных данных было установлено, что при питании АД от ЧП при прочих равных условиях потери мощности в АД возрастают на 30% по сравнению с синусоидальным режимом. Это приводит к изменению теплового режима работы АД и необходимости снижения его нагрузки. Причины возрастания потерь в АД при несинусоидальных режимах известны и в данной работе не обсуждаются. Главная цель состояла в установлении уровня этих потерь.

      Выводы:

1.  Впервые экспериментально установлен уровень основной погрешности (десятки процентов)   индукционных счетчиков электрической энергии в условиях несинусоидальности, создаваемой ШИМ.

2.   Потери в регулируемых асинхронных двигателях, питание которых осуществляется от ЧП, также возрастает по сравнению со стандартным режимом питания на несколько десятков процентов, что приводит к перегреву АД и необходимости снижения мощности нагрузки.