Разработка и исследование систем асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением для насосных механизмов

Цветков, Павел Евгеньевич

Электротехнические комплексы и системы

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование систем асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением для насосных механизмов

кандидата технических наук: Цветков, Павел Евгеньевич
город: Липецк
год: 2014
специальность ВАК РФ: 05.09.03
цена: 450 рублей

Диссертация по электротехнике на тему «Разработка и исследование систем асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением для насосных механизмов»

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование систем асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением для насосных механизмов"

На правах рукописи

Цветков Павел Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ НАСОСНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ( ПАР ¿014

Липецк-2014

005546469

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» на кафедре электропривода

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Мещеряков Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

Федяева Галина Анатольевна, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет», профессор кафедры электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы;

Благодаров Дмитрий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет «МЭИ», доцент кафедры автоматизированного электропривода

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет», кафедра электроэнергетики

Защита диссертации состоится 16 мая 2014 года в 12:30 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, Московская, 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан « // » марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. И. Бойчевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется возрастающей ролью управляемых электроприводов для решения проблемы сбережения энергетических ресурсов на производстве. В связи с развитием силовой электроники и микропроцессорной техники в целях энергосбережения существует тенденция внедрения частотного преобразователя для таких механизмов как насосы и вентиляторы. При этом необходимой задачей является увеличение эффективности электропривода с точки зрения энергосбережения. Это осуществляется за счет совершенствования имеющихся и разработки новых типов электродвигателей, а также использования полупроводниковых преобразователей частоты с повышенными энергетическими характеристиками. Существуют различные топологии преобразователей частоты, но в настоящее время благодаря развитию элементной базы силовой электроники применяются полностью управляемые ЮВТ транзисторы с высокой коммутационной способностью. Теперь стало возможным управление силовыми ключами преобразователя по новым алгоритмам, приводящим к уменьшению высокочастотных гармоник в формируемом напряжении. Однако типовые системы управления асинхронного электропривода не претерпели серьезных изменений. Применяемые алгоритмы управления не являются энергоэффективными и, несмотря на наличие высокой теоретической базы в области оптимального регулирования асинхронного двигателя, энергосберегающие законы управления редко используются в электроприводах. Следовательно, необходимо усовершенствование унифицированных систем, а разработку и выбор алгоритмов управления производить согласно требуемым задачам для данного типа электропривода.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2010-2013 гг.

Степень разработанности темы исследования. Многие исследователи неоднократно обращались и продолжают обращаться к проблеме энергетической оптимизации статических режимов работы электропривода. Огромный вклад в области оптимального управления работы электроприводов переменного тока внесли отечественные и зарубежные ученые - В.И. Ключев, Н.Ф. Ильинский, Г.Б. Онищенко, В.В. Рудаков, И.Я. Браславский, Р.Т. Шрейнер, В.А. Мищенко, В.Н. Бродовский, В.В. Панкратов, Булгаков, A.M. Вейнгер, Ю.А. Сабинин, В.А. Шубенко, A. Abbondanti, W. Leonard, F. Blaschke, D.W. Novotny, J. Holtz и др. Рассмотрен ряд работ, посвященных

оптимизации режимов работы асинхронного электропривода по критерию минимума тока статора. Возникает проблема поиска наилучшего решения и разработки новых систем, которые отвечают принципам оптимального управления и являются наиболее простыми в реализации для рассматриваемого типа механизма.

Цель работы - разработка и исследование векторных систем управления асинхронным электроприводом, оптимизированных по критерию минимума потребления тока статора из сети, на базе автономного инвертора напряжения с релейным регулятором тока с применением коррекции по продольной составляющей тока статора.

Идея работы заключается в создании векторных систем управления электроприводом, в которых поддерживается требуемый угол между моментообразующими векторами как в статических, так и в динамических режимах насосных механизмов.

Научная новизна:

- предложены оптимальные по критерию минимума тока статора векторные системы управления по потокосцеплению статора и главному потокосцеплению, отличающиеся обеспечением поддержания значений моментообразующих векторов на требуемом уровне;

- предложена оптимальная по критерию минимума тока статора векторная система управления по потокосцеплению ротора, отличающаяся введением коррекции в канал управления продольной составляющей тока статора;

- предложена оптимальная по критерию минимума тока статора система векторного управления с учетом насыщения АД, отличающаяся введением корректирующего воздействия на продольную составляющую тока статора, оценка которой происходит в зависимости от реального значения угла между током статора и потокосцеплением ротора.

Теоретическая и практическая значимость:

- предложенные системы обеспечивают снижение потребление тока статора из сети на 6-8 % по сравнению с классической векторной системой, и как следствие увеличение максимально допустимого момента и уменьшение общих потерь;

разработаны системы оптимального управления асинхронным двигателем с опорным вектором потокосцепления ротора, которые можно применить для большинства серийных преобразователей частоты, добавив коррекцию в канал управления продольной составляющей тока статора.

Методология и методы исследования. Объектами исследования являлись оптимальные векторные системы управления асинхронным электроприводом по критерию минимума тока статора. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовалась теория автоматического управления, теория электрических машин, а также методы математического моделирования. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакетов математических программ БтиНпк.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена обоснованием разработанных математическим моделей, результатами математического моделирования и сравнения их с результатами расчетов, а также сопоставимостью полученных результатов с положениями теории электропривода.

Реализация работы. Полученные результаты используются при разработке проекта модернизации электропривода конденсатного насоса подогревателя сетевой воды структурного подразделения УТЭЦ ОАО «НЛМК».

На защиту выносится:

— сравнительный анализ векторных систем управления по потокосцепле-нию статора, ротора и главному потокосцеплению АД;

— сравнительный анализ оптимальных режимов работы АД при поддержании оптимального угла и стабилизации угловой скорости скольжения;

— разработанная оптимальная по критерию минимума тока статора векторная система с поддержанием угла между током статора и потокосцеплением ротора;

— разработанная оптимальная по критерию минимума тока статора векторная система управления по потокосцеплению ротора с учетом насыщения АД.

— результаты исследования разработанных оптимальных векторных систем управления по потокосцеплению ротора асинхронным электроприводом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012» (Иваново 2012); на IX Всероссийской конференции «Управление большими системами» (Липецк 2012); на X Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI ВЕК " (Орел 2012); на III Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (МК— 1-412) (Пенза 2012); на IV Международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк 2010), V международной научно-практической конференции «Энергетика и

энергоэффективные технологии» (Липецк 2012), IX международной научно-практической конференции «Современные научные достижения - 2013» (Чехия, Прага).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 119 наименований, и 6 приложений. Общий объем работы — 164 страниц. Основная часть изложена на 153 страницах текста, содержит 62 рисунка, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены решаемые в диссертационной работе научно-технические проблемы и задачи; обоснована актуальность, показаны новизна и практическая ценность работы; выделены основные защищаемые положения.

В первой главе проведен краткий обзор существующих на сегодняшний день топологий преобразователей частоты, произведен их сравнительный анализ, отображены достоинства и недостатки. Рассмотрены алгоритмы управления автономными инверторами, основанными на применении широтно-импульсной модуляции (ШИМ), и отмечена целесообразность применения ШИМ с релейно-гистерезисными регуляторами тока. Приведен обзор современных систем управления асинхронного электропривода на базе преобразователя частоты, показана необходимость теоретического и практического развития асинхронных электроприводов. Предложенная классификация отражает отличия в принципиальных методах управления, таких как: скалярное управление, векторное управление и прямое управление моментом. Выявлено, что наиболее перспективным в настоящее время является принцип векторного управления асинхронным электроприводом. Однако типовые частотные преобразователи, использующие классическую векторную систему, не обеспечивают энергоэффективность показателей АД.

Выполненный анализ позволил сформировать следующие задачи:

— разработка оптимальных векторных систем управления асинхронным электроприводом с различными опорными векторами и их анализ с целью определения наиболее целесообразной для объекта управления;

— разработка математической модели оптимальной векторной системы управления электроприводом, наиболее целесообразной для объекта управления;

— определение соотношений моментообразующих векторов по критерию минимума тока статора с учетом насыщения АД для дальнейшей разработки и

математического моделирования оптимальной векторной системы управления, обеспечивающей данное соотношение;

- реализация оптимальной системы управления применительно к типовым преобразователям частоты;

- сравнение энергетических параметров оптимальной системы управления по критерию минимума тока статора с классической векторной системой.

Во второй главе приведена методология создания математических моделей в различных системах координат. Проведено исследование свойств неподвижной системы координат а-|3, вращающейся системы координат с!^, и естественной системы координат А,В,С, преобразования которых приведены на рисунке 1.

л а В системе уравнений,

описываемой процессы ЛД в координатах, ориентированных по потокосцеплению ротора, существенно упрощаются модель роторной цепи и выражение для электромагнитного момента, минимизируется количество дифференциальных уравнений, в установившихся режимах работы двигателя все преобразованные переменные являются постоянными величинами. В связи с этим система уравнений в координатах очень удобна для расчетов процессов в машине и для синтеза векторной системы управления. Однако, для оптимизации векторных систем необходима оценка тангенса угла между током статора и потокосцеплением ротора. Тогда построение модели АД необходимо производить относительно продольной составляющей тока статора и тангенса между моментообразующими векторами в системе координат ёч}.

Для решения задач синтеза систем управления асинхронными электроприводами приведено математическое описание системы «преобразователь частоты со звеном постоянного тока - асинхронный двигатель», параметры которой приведены к цепи постоянного тока, при этом математическая модель учи-

а ' л

X __^ —ф

>1 Л'а

У„ Уа V,,

Рисунок 1 -Геометрическая интерпретация преобразований координат

тывает электромагнитную инерцию двигателя и действие электродвижущей силы (ЭДС) обмотки статора.

В третьей главе приведено описание энергоэффективного векторного управления, в котором осуществляется изменение магнитного состояния асинхронного короткозамкнутого электродвигателя. Принцип построения такой системы заключается в поддержании взаимного положения вектора тока статора относительно вектора потокосцепления. Найдены оптимальные соотношения моментообразующих величин, доступных для управления, по критерию минимума тока статора. Особенность работы системы управления координатами векторов заключается в коррекции выходной частоты инвертора в функции угла между векторами тока статора и потокосцеплением или воздействием на продольную составляющую тока статора, которая определяет положение вектора потокосцепления. Найдены оптимальные соотношения потоко-и моментообразующих векторов тока статора в системах координат, связанных с различными векторами потокосцеплений. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Решения задачи оптимизации по одному из критериев можно добиться, поддерживая на заданном уровне одну или несколько переменных, при которых другие переменные удовлетворяют условию оптимизации. При выборе того или иного управляемого воздействия следует выявить переменную, которая наиболее проста в управлении и универсальна для различных типов электродвигателей.

Таблица 1 — Оптимальное положение моментообразующих векторов

Моментообразу-ющие вектора Функция для поиска экстремума Оптимальный угол между векторами

Гок статора и по- гокосцепление зотора. 3 L2 Мэл = — Р„ -j-21 iL sin фг'cos Фг 45°

Гок и потокосцеп-1ение статора. м,л = 2 PnXL [sin<Ps • С03Ф5 • Ls + Lm • sin2 Ф5 • tgS] 41,3°

Гок статора и главное потокос-депление. MM = -РЛтЬт [SÍmP0 ' COS9() + SÍn2 Фо ' lgS] 42,36°

Рассмотрим оптимальное с точки зрения минимума тока статора управление переменными электродвигателя, определив экстремальное значение разницы между скоростями вращения поля статора и ротора. Момент асинхронного

двигателя можно определить по следующей формуле:

Ьг-(со;~юг)-Р,

+ 1

Условием достижения максимума момента является пулевое значение производной функции (1) относительно Дсо. В результате максимальное значение электромагнитного момента достигается при условии:

Зависимость разницы между частотами вращения поля статора и ротора двигателя от угла между током статора и потокосцеплением ротора определяется следующей формулой:

При угле фг, равном 45 градусов, tgcpr становится равным 1. Тогда значение Дсо приобретает форму записи аналогично (2), что соответствует оптимальному значению по критерию минимуму тока статора. Для различных типов электродвигателей, оптимальная разница между частотами вращения поля статора и ротора двигателя имеет различные значения, однако оптимальный угол не зависит от типа электродвигателя. Следовательно, для унификации оптимальной системы управления к различным электродвигателям наиболее целесообразно применение системы, в которой поддерживается оптимальный угол.

Рассмотренные выше моментообразующие вектора являются наиболее распространенными. При использовании других векторов математическое описание, а, следовательно, и структура управления координатами является более сложной. Проведен сравнительный анализ свойств АД при управлении электромагнитным моментом с помощью данных вариаций векторов с точки зрения максимального .значения разницы между частотами вращения поля статора и ротора, максимального электромагнитного момента и динамических свойств канала формирования потокосцепления электродвигателя. Полученные результаты приведены в таблице 2.

Максимальный момент зависит от квадрата потокосцепления, что является наиболее важным для рассмотрения оптимальных систем управления по критерию тока статора, т.к. при изменении нагрузки на валу двигателя, необхо-

(2)

(3)

димо варьировать потокосцеплением. В зависимости от параметров и потока АД при снижении нагрузки наступает такой момент, при котором векторная система становится неустойчивой. Векторная система по потокосцеплению ротора ведет себя устойчиво во всем диапазоне изменения угловой частоты и электромагнитного момента АД. Следовательно, по критерию устойчивой работы при различных нагрузках и угловых скоростях вращения поля ротора закон управления по потокосцеплению ротора имеет преимущество перед законами по потокосцеплению статора и главному потокосцеплению.

Таблица 2 - Анализ свойств асинхронного электродвигателя

Статические свойства АД

Моментообра-зующие вектора Уравнение АД в статическом режиме Максимальная Д(й Максимальный момент

Ток и потокос-цепление статора. ст Тг Дсо = —-— шах гг, <*ТГ м Л элпж 2Ь5 1а )

Ток статора и главное пото-косцепление. Да2 + К-1)ч/гаДю+ <м*ьттг н—5~т = 0 Дсо = —-— шах гтп СТДг т 2 ( 1 М =3Р.ЧЧ1 Л эл шах /чТ

Ток статора и потокосцепле-ние ротора. угТгДш - ¡Ч5Ьт=0 - -

Динамические свойства АД

Функция формирования потокосцепления

Ток и потокос-цепление статора. г1 + ст-Тг-р. а-Тг-Дсо. ^ , 1 + Тг.р '"» 1 + Тг.р^)

Ток статора и главное пото-косцепление. Ут=ЬпГ 1 + аг-Тг-р. стг-Тг-Дсо. ^ , 1 + Тг-р 1 + Тг • р

Ток статора и потокосцепле-ние ротора. • к ^"'"Т^Д©

Сравнивая передаточные функции каналов управления рассмотренных потокосцеплений, очевидно, что наиболее просто реализовать векторную систему, управляемую потокосцеплением ротора.

Разработана векторная система асинхронного электропривода с коррекцией по продольной составляющей тока статора в системе координат ориентированной по потокосцеплению ротора, новизна которой подтверждена патентом РФ. Структурная схема системы представлена на рисунке 2. В предложенной системе коррекция по продольной составляющей тока статора для поддержания оптимального угла фг состоит из следующих блоков: 16, 17, 18, 19, 20, 21. Вычисление угла между током статора и потокосцеплением ротора осуществляется в блоке 17. После чего выход блока 17 соединен с сумматором 18, на выходе которого формируется отклонение от заданного угла между током статора и потокосцеплением ротора, которое вносит коррекцию в канал задания продольной составляющей тока статора.

Задача определения оптимального угла требует применения комплексного подхода с точки зрения точности, возможности и сложности алгоритмов измерения данного угла. Аналитически угол между векторами тока статора и по-токосцепления ротора может быть определен на основании использования векторной диаграммы, приведенной на рисунке 3.

Ф0 = 90° - ап^

Ц5 -апф-^ 'Х5 ,и5-созф-15-г5

Фг=Фо+5ч,г=Фо+аГс1ё

(4)

(5)

^ (сое ф0 - эш ф0 • 1§5) • Ьт

где - угол между векторами главного потокосцепления и потокосцепления ротора.

Угол между векторами напряжения и тока статора можно определить на основании использования измеренных с помощью датчиков тока и напряжения мгновенных значений фазных токов и напряжений статора АД. При этом необходимо использовать первую гармонику напряжения статора, т.к. выходное напряжение преобразователя частоты имеет импульсный характер. В неподвижной ортогональной системе координат определяются положения обобщенных векторов напряжения и тока статора. Тогда вектор напряжения будет находиться на оси а ортогональной системы координат. Для каждого момента времени определяется положение вектора тока статора относительно напряжения с помощью уравнения:

Ф = агссоБ

V а,

(6)

Схема определения угла между током статора и потокосцеплением ротора методом неподвижной системы координат приведена на рисунке 4.

ю.

8 Щ

Фг А18

со.

УгС

Фг 17 16

—¿2

Ь12

Рисунок 2 - Структурная схема оптимального частотного асинхронного электропривода с коррекцией по продольной составляющей тока статора

и.

у/ / и ~8

Ут -^

Рисунок 3 - Векторная диаграмма токов и потоков АД

Фазовый сдвиг между векторами тока статора и потокосцёпления ротора определяется как арктангенс отношения между поперечной и продольной составляющими тока статора.

Схема определения угла между током статора и потокосцеплением ротора методом вращающейся системы координат представлена на рисунке 5.

Недостатком первого способа по отношению ко второму является необходимость использования датчиков фазных напряжений и соответственно фильтров для определения

первой гармоники напряжений. Также данный способ вычисления угла является довольно сложным с точки зрения требования к производительности процессора. Однако определения угла в неподвижной системе координат является наиболее точным. Следует отметить, что разница в измерениях угла между током статора и потокосцеплением ротора двумя методами не существенна, и данная погрешность не влияет на решение задачи оптимизации по критерию минимума тока статора. Поэтому в предложенной системе управления измерение угла осуществляется методом вращающейся системы координат.

Датчики тока

пч

Фг

Рпс

ПК

.га.

Датчики напряжения

Датчики тока и

ПК

пч

аГБП

.га.

чЕЗд

Фг

АД

АгсЛд

1н,

-А

АД

Рисунок 4 - Схема определения угла Рисунок 5 - Схема определения угла методом неподвижной системы коор- методом вращающейся системы коор-

динат

Оптимизация режимов работы асинхронного электродвигателя по технико-энергетическим критериям связана с необходимостью изменения магнитного состояния двигателя в зависимости от текущего значения момента сопротивления нагрузки. При питании от полупроводникового преобразователя частоты асинхронный электродвигатель, у которого магнитное состояние изменяется в соответствии с законами энергооптимального регулирования, является объектом с нелинейной характеристикой намагничивания. Величина электромагнитного момента зависит от значения активного тока и магнитного состояния двигателя, поэтому синтез экстремальных алгоритмов управления необходимо проводить с учетом нелинейности характеристики намагничивания АД.

Проведено исследование характеристик АД для нахождения минимума тока статора путем моделирования в программе МАТЬАВ. Определен оптимальный угол между током статора и потокосцеплением ротора АД с учетом

насыщения магнитной цепи. Полученный результат подтвержден аналитически. Доказано, что угол по критерию минимума тока статора при учете насыщения АД не зависит от частоты питающего напряжения, а зависит от момента нагрузки. Полученная зависимость угла от электромагнитного момента в относительных единицах представлена на рисунке 6.

В структурной схеме, приведенной на рисунке 3, задание угла срг в блоке 19 формируется в зависимости от значения момента нагрузки. Задающее воздействие по углу определяется согласно графику, который приведен на рисунке 6. Причем для снижения требований к производительности микропроцессорной системы целесообразно не производить постоянный перерасчет требуемого оптимального угла в функции момента нагрузки, а сохранить в виде таблицы заранее рассчитанные значения оптимальной величины угла между моментообра-зующими векторами.

.ФгЛ»ад-

М о.е.

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Рисунок 6 - Оптимальный угол по критерию минимума тока статора

В четвертой главе приведено описание технологического процесса системы теплофикационной установки УТЭЦ ОАО «НЛМК». Определена целесообразность применения частотно-регулируемого электропривода для механизма конденсатного насоса подогревателя сетевой воды. Проведен анализ энергетических параметров электропривода, управляемого оптимальной системой управления по критерию минимума тока статора. Проведено исрледование оптимальной по критерию минимума тока статора и классической векторных систем по перегрузочной способности. Сравнительный анализ данных систем управления приведен на рисунке 7. ,,

1.2 1.1 1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

,М, о.е.

4 *

S г

А и и

✓ S /

И . S

I.o.e.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

характеристика оптимальной векторной системы — — характеристика классической векторной системы

Рисунок 7 - Перегрузочные способности классической векторной системы и оптимальной векторной системы

Разработана программа для реализации разработанной системы управления в программе STEP 7 Manager с использованием пакета DriveMonitor. По результатам моделирования в программной среде MATLAB произведено сравнение энергетических параметров оптимальной векторной системы и классической векторной системы по потокосцеплению ротора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований была решена актуальная задача, заключающаяся в разработке и исследовании векторных систем управления асинхронным электроприводом оптимизированных по критерию минимум потребления тока статора из сети на базе автономного инвертора напряжения с релейным регулятором тока с применением коррекции по продольной составляющей тока статора. Разработанная система имеет улучшенные энергетические показатели асинхронного электропривода.

На основе материалов диссертации можно сформулировать следующие основные выводы:

Разработаны векторные системы управления по критерию минимума тока статора в системе координат d-q, имеющие в качестве опорных векторов пото-косцепления статора и ротора и главного потокосцепления. На основании проведенного анализа следует, что, при необходимости регулирования магнитного состояния машины, наиболее целесообразно применение системы управления по потокосцеплению ротора.

Разработана математическая модель оптимальной векторной системы с опорным вектором потокосцепления ротора. Установлено, что при внесении коррекции в канал управления продольной составляющей тока статора угол между током статора и потокосцеплением ротора поддерживается на заданном уровне.

Определен оптимальный угол между током статора и потокосцеплением ротора с учетом насыщения обмоток АД. Найдена зависимость данного угла от

тлмрито иотчгоги

ITiVi'iVn 1U liUl £SJ IVIl.

Разработана оптимальная векторная система с учетом насыщения магнитной цепи. Результаты математического моделирования системы показывают, что она поддерживает оптимальный угол между моментообразующими векторами в зависимости от нагрузки, изменяющегося при варьировании угловой скорости насосных механизмов. При этом происходит уменьшение тока статора в номинальном режиме на 7% по сравнению с классической векторной системой управления, а КПД увеличивается примерно на 3%.

Разработана программа, которая обеспечивает коррекцию но продольной составляющей тока статора, для преобразователя частоты SIMOVERT MASTERDRIVES.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Мещеряков, В.Н. Система оптимального частотного асинхронного электропривода с коррекцией по продольной составляющей тока стато-ра/В.Н. Мещеряков, П.Е. Цветков.// Известия высших учебных заведений. Электромеханика: ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» — Новочеркасск, ЮРГТУ. — 2012. - №3. - С. 36-39.

2. Мещеряков, В.Н. Модель асинхронного электропривода с поддержанием оптимального угла между моментообразующими векторами /В.Н. Мещеряков, П.Е. Цветков// Естественные и технические науки. - 2012. -№3. - С. 199-203.

3. Мещеряков, В.Н. Оптимальная по критерию минимума тока статора векторная система управления по потокосцеплению статора/В.Н.

Мещеряков, П.Е. Цветков// Электротехнические комплексы и системы. — Воронеж, ВГТУ. - 2013. - №1. - С. 67-70.

4. Мещеряков, В.Н. Асинхронный электропривод с поддержанием оптимального угла между моментообразующими векторами /В.Н. Мещеряков, П.Е. Цветков, О.В. Мещерякова // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2013. - №1. - С. 17-21.

5. Мещеряков, В.Н. Сравнительный анализ каналов управления потокос-цеплением векторных систем / В.Н. Мещеряков, П.Е. Цветков // Приволжский научный вестник.-2013. - №11.-С. 66-70.

6. Мещеряков, В. Н. Оптимальное управление частотно-регулируемого асинхронного электропривода / В. Н. Мещеряков, П.Е. Цветков /'/' Энергетика и энергоэффективные технологии: сборник докладов IV международной научно-практической. - Липецк: ЛГТУ - 2010. - С. 101-102

7. Мещеряков, В. Н. Энергоэффективное векторное управление по по-токосцеплению ротора асинхронного электропривода / В. Н. Мещеряков, П.Е. Цветков // Энергетика и энергоэффективные технологии: сборник докладов V международной научно-практической. - Липецк: ЛГТУ-2012.-С. 140-142.

8. Мещеряков, В. Н. Оптимальное управление по минимуму тока статора асинхронного двигателя с учетом насыщения / В. Н. Мещеряков, П.Е. Цветков // Управление большими системами: материалы IX Всероссийской школы-конференции молодых ученых. Том 2/ Липецкий государственный технический университет. - Тамбов-Липецк: Изд-во Першина Р.В. - 2012. - С. 177-179.

9. Мещеряков, В. Н. Необходимость учета насыщения асинхронного электропривода при построении энергооптимальных систем управления / В. Н. Мещеряков, П.Е. Цветков // Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сборник статей III Международной научно-практической интернет конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний. - 2012. - С. 53-55.

10. Мещеряков, В. Н. Энергооптимальная по минимуму тока статора система управления асинхронным электроприводом/В. Н. Мещеряков, П.Е. Цветков // Энерго- и ресурсосбережение XXI век: сборник материалов X - ой Международной научно-практической интернет конференции: ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНГЖ», - Орел: Госуниверситет-УНПК. - 2012. - С. 95-98.

11. Мещеряков, В. Н. Система с оптимальным регулированием моменто-образующих векторов асинхронного электропривода / В. Н. Мещеряков, П.Е. Цветков // Труды VII Международной (VIII Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу: ФГБОУ

ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Иваново. - 2012. - С. 67-70.

12. Мещеряков, В. Н. Оптимальная по критерию минимума тока статора векторная система управления по главному потокосцеплению / В. Н. Мещеряков, П.Е. Цветков // Труды IX Международной научно-практической конференции «Современные научные достижения - 2013». - Прага. — 2013.

13. Мещеряков, В.Н. Патент на полезную модель № 116721. Электропривод переменного тока : Заявка № 2011154681; Зарегистрировано 27.05.12; МПК Н02Р 27/04 /В.Н. Мещеряков, П.Е. Цветков; ЛГТУ.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1], [2] .приведено описание и моделирование оптимальной системы с коррекцией по продольной составляющей тока статора; в [3] приведено описание оптимальной по критерию минимума тока статора векторной системы управления по потокосцеплению статора АД; в [4] приведено описание с точки зрения регулирования угловой скоростью скольжения оптимальной системы с поддержанием оптимального угла между моментообразующими векторами; в [5] проведен анализ векторных систем управления с различными опорными векторами; в [6] представлена скалярная система с оптимальным управлением асинхронного электропривода; в [7] проведено сравнение оптимальной и классической векторных систем с опорным вектором потокосцепления ротора; в И, [9], [10], [11] приведено исследование оптимального векторного управления АД по критерию минимума тока статора с учетом насыщения магнитной цени; в [12] разработана модель системы управления асинхронным электроприводом с поддержанием заданного угла между током статора и главным пото-косцеплением.

Подписано в печать 07.03.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 194. Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

Текст работы Цветков, Павел Евгеньевич, диссертация по теме Электротехнические комплексы и системы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201457514

Цветков Павел Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ

НАСОСНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Специальность: 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В. Н. Мещеряков

Липецк-2014

I I II I I I нип I н я ■■■пшшвнга е ' ~тшшштшттг \ш ■ г пир ■ ш

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1 АНАЛИЗ СИСТЕМ ЧАСТОТНО-ТОКОВОГО УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ........................................................9

1.1 Обзор частотно-токовых систем управления асинхронным электродвигателем................................................................................................9

1.2 Анализ и классификация способов регулирования асинхронного электропривода при частотном управлении......................................................13

1.3 Обзор систем оптимального регулирования асинхронного электропривода. 20 Выводы.........................................................................................................................23

2 МАТЕМАТИЧЕСКЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА...............................................................................................25

2.1 Математические модели асинхронного электродвигателя...............................25

2.2 Математическое описание асинхронного двигателя в системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора..........................................39

2.3 Математическая модель силовой части асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением................................................................................42

2.4 Оптимальное регулирование асинхронного электропривода по критерию

минимума тока статора...............................................................................................47

Выводы.........................................................................................................................49

3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕКТОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ОПТИМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.....................................................................................................50

3.1 Разработка оптимальной системы векторного управления с опорным вектором потокосцепления ротора......................................................................50

3.2 Разработка оптимальной системы векторного управления с опорным вектором потокосцепления статора....................................................................68

3.3 Разработка оптимальной системы векторного управления с опорным вектором главного потокосцепления асинхронного двигателя.......................75

3.4 Сравнительный анализ векторных систем управления асинхронным двигателем с оптимальными параметрами........................................................82

3.5 Разработка оптимальной системы векторного управления с учетом насыщения асинхронного двигателя...................................................................100

III 1111П[1[

Выводы.........................................................................................................................115

4 ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КОНДКНСАТНОГО НАСОСА ПОДОГРЕВАТЕЛЯ СЕТЕВОЙ ВОДЫ...............................................117

4.1 Описание основных элементов технологического процесса системы теплофикационной установки.............................................................................117

4.2 Энергетические потери асинхронного двигателя и методы их оптимизации..........................................................................................................127

4.3 Определение энергетических показателей по результатам математического моделирования электропривода............................................130

4.4 Программная реализация коррекции по продольной составляющей тока статора....................................................................................................................134

Выводы.........................................................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................141

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ А Передаточные функции модели асинхронного двигателя

в координатах ABC.....................................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Анализ угла 5 для различных типов электродвигателей........155

ПРИЛОЖЕНИЕ В Определение расчетных параметров электродвигателя.........156

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Графики переходных процессов потокосцепления

и токов асинхронного двигателя.............................................................................158

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Технологическая схема УТЭЦ..................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Акт внедрения результатов диссертации.................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Программа коррекции потокосцепления ротора в STEP 7 Manager 165...................................................................................................................162

mn-

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования определяется возрастающей ролью управляемых электроприводов для решения проблемы сбережения энергетических ресурсов на производстве. В связи с развитием силовой электроники и микропроцессорной техники в целях энергосбережения существует тенденция внедрения частотного преобразователя для таких механизмов как насосы и вентиляторы. При этом необходимой задачей является увеличение эффективности электропривода с точки зрения энергосбережения. Это осуществляется за счет внедрения в производство новых высокоэффективных типов электродвигателей, а также использования полупроводниковых преобразователей частоты с повышенными энергетическими характеристиками. Существуют различные топологии преобразователей частоты, но в настоящее время благодаря развитию элементной базы силовой электроники применяются полностью управляемые ЮВТ транзисторы с высокой коммутационной способностью. Теперь стало возможным управление силовыми ключами преобразователя по новым алгоритмам, приводящим к уменьшению высокочастотных гармоник в формируемом напряжении. Однако типовые системы управления асинхронного электропривода не претерпели серьезных изменений. Применяемые алгоритмы управления не являются энергоэффективными и, несмотря на наличие высокой теоретической базы в области оптимального регулирования асинхронного двигателя, энергосберегающие законы управления практически не используются в электроприводах. Следовательно, необходимо усовершенствование унифицированных систем, а разработку и выбор алгоритмов управления производить согласно требуемым задачам для данного типа электропривода.

Степень разработанности темы исследования. Многие исследователи неоднократно обращались и продолжают обращаться к проблеме энергетической оптимизации статических режимов работы электропривода. Огромный вклад в области оптимального управления работы электроприводов переменного тока внесли отечественные и зарубежные ученые - В.И. Ключев, В.Н. Мещеряков, Н.Ф. Ильинский, Г.Б. Онищенко, В.В. Рудаков, И .Я. Браславский, Р.Т. Шрейнер, В.А.

Мищенко, В.Н. Бродовский, A.A. Булгаков, A.M. Вейнгер, Ю.А. Сабинин, В.А. Шубенко, A. Abbondanti, W. Leonard, F. Blaschke, D.W. Novotny, J. Holtz и др. Рассмотрен ряд работ, посвященных оптимизации режимов работы асинхронного электропривода по критерию минимума тока статора. Возникает проблема поиска наилучшего решения и разработки новых систем, которые отвечают принципам оптимального управления и являются наиболее простыми в реализации для рассматриваемого типа механизма.

Цель работы - разработка и исследование векторных систем управления асинхронным электроприводом оптимизированных по критерию минимума потребления тока статора из сети на базе автономного инвертора напряжения с ре-лейно-гистерезисным регулятором тока и применением коррекции по продольной составляющей тока статора.

Задачи исследования:

- разработка оптимальных векторных систем управления асинхронным электроприводом с различными опорными векторами и их анализ с целью определения наиболее целесообразной для объекта управления;

- определение управляемого параметра для реализации оптимального по критерию минимума тока статора закона управления;

- разработка математической модели оптимальной векторной системы управления электроприводом наиболее целесообразной для объекта управления;

- определение соотношений моментообразующих векторов по критерию минимума тока статора с учетом насыщения АД для дальнейшей разработки и математического моделирования оптимальной векторной системы управления, обеспечивающей данное соотношение;

- реализация оптимальной системы управления применительно к типовым преобразователям частоты;

Идея работы заключается в создании векторных систем управления электроприводом, в которых поддерживается требуемый угол между моментообразу-ющими векторами как в статических, так и в динамических режимах.

Научная новизна:

Теоретическая и практическая значимость:

- предложенные системы обеспечивают минимизацию потребления тока статора из сети на 6-8 % по сравнению с классической векторной системой, и как следствие увеличение максимально допустимого момента и уменьшение общих потерь;

- разработаны системы оптимального управления асинхронным двигателем с опорным вектором потокосцепления ротора, которые можно применить для большинства серийных преобразователей частоты, добавив коррекцию в канал управления продольной составляющей тока статора.

Методология и методы исследования. Объектами исследования являлись оптимальные векторные системы управления асинхронным электроприводом по критерию минимума тока статора. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовалась теория автоматического управления, теория электрических машин, а также методы математического моделирования. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакета математических программ БтшНпк.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена обоснованием разработанных математическим моделей, результатами математического

III Г I

моделирования и сравнения их с результатами расчетов, а также соответствием полученных результатов с теорией автоматизированного электропривода.

Реализация работы. Полученные результаты используются при разработке проекта модернизации электропривода конденсатного насоса подогревателя сетевой воды подразделения У ТЭЦ ОАО «НЛМК».

На защиту выносится:

- разработанные оптимальные по критерию минимума тока статора векторные системы управления по потокосцеплению статора, ротора и главному потокосцеплению АД, позволяющие обеспечить наименьшее потребление тока статора;

- сравнительный анализ векторных систем управления по потокосцеплению статора, ротора и главному потокосцеплению АД, из которого следует, что наиболее целесообразно применение в качестве опорного вектора - потокосцеп-ление ротора;

- разработанная оптимальная по критерию минимума тока статора векторная система управления по потокосцеплению ротора с учетом насыщения АД;

- результаты исследования разработанных оптимальных векторных систем управления по потокосцеплению ротора асинхронным электроприводом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012» (Иваново 2012); на IX Всероссийской конференции «Управление большими системами» (Липецк 2012); на X Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI ВЕК " (Орел 2012); на III Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (МК-1-412) (Пенза 2012); на Международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк 2010), V международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк 2012), IX международной научно-практической конференции «Современные научные достижения - 2013» (Чехия, Прага).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 119 наименований, и 7 приложений. Общий объем работы - 163 страниц. Основная часть изложена на 152 страницах текста, содержит 62 рисунка, 4 таблицы.

I Н 11111 IIIШИПИ И II I [ ТШИИ 1 1ГИ " 'Г 'II

1 АНАЛИЗ СИСТЕМ ЧАСТОТНО-ТОКОВОГО УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

1.1 Обзор частотно-токовых систем управления асинхронным электродвигателем

Постоянное повышение качества и объемов продукции за счет усовершенствования производственных процессов обусловлено разработками в сфере средств автоматизации технологического оборудования [1, 2, 3]. Одним из основных достижений в данной сфере является внедрения в различные отрасли промышленного и сельскохозяйственного производства регулируемых электроприводов.

В настоящее время основная масса регулируемых электроприводов, эксплуатируемых в производстве, выполнена на базе электродвигателей постоянного тока, благодаря которым качественно осуществляется регулирование электромагнитного момента угловой скорости [4, 5, 6, 7]. Но, несмотря на это, в большинстве развитых странах мира массовый выпуск регулируемых электроприводов постоянного тока прекращен с начала XXI века. Наиболее перспективной альтернативой ему является регулируемый электропривод переменного тока, прежде всего на базе асинхронных короткозамкнутых электродвигателей [8, 9, 10, 11]. Преобладание данного типа двигателей в массовом производстве обуславливается высокой надежностью, минимальным количеством конструктивных элементов, меньшей инерцией ротора и т.д.[12]. Широкое применение регулируемого асинхронного электропривода стало возможным вследствие последних достижений в области теории электрических машин, теории автоматического управления многосвязными нелинейными объектами, развитию микропроцессорной техники и электроники [13, 14, 15, 16]. А благодаря развитию полупроводниковой преобразовательной техники стало возможным разрабатывать устройства по преобразованию одного вида энергии в другой с улучшенными регулировочным возможностями (скорости, момента электрического двигателя), а также наиболее высокими энергетическими показателями [17, 18, 19]. С появлением силовых полупроводниковых элементов, в частности быстродействующих интеллектуальных транзи-

\ " I т г7 \тжъш ..................... ? ( I * * 5

сторных ключей (IGBT-модулей) и трехфазных транзисторных преобразователей на основе их, которые являются общедоступными и обладают высокими энергетическими и эксплуатационными показателями, стало возможным регулирование не только величины переменного напряжения, но и частоты напряжения, подводимого к статору асинхронного электродвигателя [20, 21, 22].

В связи с этим наметилась тенденция создания различных топологий преобразования параметров и разработки многочисленных схемных решений преобразователей частоты для электроприводов переменного тока. В настоящее время решению задач построения конструктивных вариантов преобразователей посвящено огромное количество работ зарубежных и отечественных авторов [24, 25, 26, 27]. В зависимости от требований технологического процесса, точности и качества регулирования параметрами электродвигателя, подводимого напряжения и энергетических показателей необходимо оптимизировать выбор преобразователя.

Наибольшее распространение получили две группы управляемых полупроводниковых преобразователей частоты [28]:

- преобразователи с непосредственной связью питающей сети и нагрузки (ПЧНС) [29, 30];

- двухзвенные преобразователи частоты, содержащие выпрямитель и автономный инвертор [31].

В настоящее время наибольшее распространение получили двухзвенные преобразователи частоты. Проведем сравнительный анализ данных типов �

Похожие работы

Электротехника
05.09.00