автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергосберегающие алгоритмы управления асинхронным электроприводом

ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Фаллах Абдеслам

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

Диссертация на соискание' ученой степени кану

дидата технических наук

!

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В. Ф. Глазунов

J Научный консультант

кандидат технических наук В. Л. Чистосердов

Иваново 1998

СОДЕРЖАНИЕ о

С' в во»»воос»аеооо» бооооооооооообоооооооеоеос«« 2

ВВЕДЕНИЕ.............................................. б

1. ФОРМИРОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ. .............................. 14

1.1 Оптимизация энергетических характеристик статического режима работы двигателя» ............ 18

1.1.1 Минимизация тока статора. ...................... 21

1.1.2 Определение максимального коэффициента мощности. ...................................... 23

1.1.3 Минимизация активной составляющей мощности»,

потребляемой двигателем. •.■.•■(¿■хг.'&я ............... 27

'■-•у

1.2 Характеристики асинхронного,электропривода, использующего энергосберегающие алгоритмы управления....................................... 3 О

1.2.1 Анализ механических характеристик двигателя при использовании энергосберегающих

алгоритмов управления. ......................... 52

1.2.2 Анализ энергетических характеристик энергосберегающих алгоритмов управления. ....... 54

1.3 Выводы........................................... 58

2. СРАВНЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ С ТРАДИЦИОННЫМИ АЛГОРИТМАМИ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ. .......... 60

2.1 Сравнение характеристик асинхронного

двигателя,, полученных с использованием закона Костенко и управляющих энергосберегающих алгоритмов.......................................60

2 о 2 Сравнение характеристик асинхронного двигателя, полученных при поддержании номинального потока намагничивания и при использовании энергосберегающих алгоритмов УП]рс1.В ЛОН!1! .Я еооооооооооФооооооооооеооооооооооооооое V X

2.2.1 Сравнение активной мощности, потребляемой двигателем, при поддержании номинального потока намагничивания и использовании алгоритма минимизации активной составляющей потребляемой мощности. ......................... 75

2.2.2 Сравнение токов статора асинхронного двигателя, полученных при поддержании потока намагничивания и при использовании закона минимизации тока статора. ...................... 77

2 • 3 БЫБ О Д-1,Ы е «ав*04««9в*о«оввооое*в409«аооо аоовесэоовоо 8 О

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПО СИСТЕМЕ «ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С НЕУПРАВЛЯЕМЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ - АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ», ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ПРОВЕРКУ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АЛГОРИТМОВ. .................... 82

3 .1 Выбор типа преобразователя частоты. .............. 82

3.2 Динамическая модель электромагнитных процессов

в асинхронном электроприводе. ................... . 88

3.3 Модель автономного инвертора напряжения. ........ 103

3.4 Модель неуправляемого выпрямителя и звена постоянного напряжения инвертора. ............... 109

3.5 Модель системы управления инвертором

НЭ-ПрЯЖбЫИ .Я1 оооооооовоооооооооооооовоооооооооооово 1 1 б

3.6 Общая структура модели.......................... 118

3 . 7 Выводы. ......................................... 123

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ "ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ -АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ". ......................... 125

4.1 Связь фазного напряжения статора АД с заданием

по напряжению в системе "ПЧ - АД"............... 126

4.2 Коэффициент мощности системы "ПЧ - АД". ......... 129

4.3 Анализ эффективности использования энергосберегающего алгоритма управления,, минимизирующего активную составляющую

мощности, потребляемой двигателем. .............. 131

4.4 Анализ эффективности использования энергосберегающего алгоритма, минимизирующего

ток статора, в системе "ПЧ - АД"................ 133

4.5 Особенности использования энергосберегающих алгоритмов управления АД для электроприводов различных общепромышленных механизмов. .......... 136

4. б Структурная схема энергосберегающей системы

управления асинхронным электроприводом. ......... 141

4 . 7 Выводы.......................................... 14 б

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ПЧ - АД" . ....... 148

5.1 Описание экспериментальной установки. ........... 148

5.2 Методика проведения экспериментов и результаты экспериментальных исследований. ................. 156

5.3 Выводы. ......................................... 164

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ ...............................................................166

ЛИТЕРАТУРА. ......................................... 169

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ "ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ -

АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ" В ФОРМАТЕ

МАТНСАЕ). ..............................178

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПАРАМЕТРЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

СЕРИИ 4А10034УЗ. ...................... 182

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ПАРАМЕТРЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

4А112МА6УЗ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ„ .......... 183

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ В

ОАО "СТАНОК-. ....................... 184

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ В

УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ КАФЕДРЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК ИГЭУ. .......... 185

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время экономия энергии становится одной из первоочередных проблем любого промышленного производства. Поскольку в промышленности доля потребления электроэнергии, приходящаяся на асинхронные электроприводы общепромышленного назначения, велика (70 - 8 0 % от общего энергопотребления) , улучшение их энергетических характеристик представляет собой весьма важную задачу.

К общепромышленным механизмам относят промышленные установки, выполняющие операции, которые могут рассматриваться как типовые для различных отраслей промышленности. К их числу можно отнести транспортные операции, вентиляцию, водоснабжение, транспортировку сыпучих грузов, жидкостей и многие другие. Они являются основным средством механизации и автоматизации различных производственных процессов, а уровень промышленного производства во многом зависит от их совершенства [1], [36].

Выбор электропривода общепромышленных механизмов с наилучшими энергетическими и эксплуатационными показателями (максимальный КПД, диапазон, перегрузочная способность и т.д.) обеспечивает улучшение технико-экономических показателей основного технологического оборудования. При этом, как правило, подобные механизмы не предъявляют высоких требований к точности поддержания скорости и диапазону регулирования, не превышающему обычно 5...10 вниз от номинальной скорости. В то же время для них решающими показателями являются стоимость и надежность . Такие требования обеспечиваются в достаточной степени асинхронным электроприводом.

По характеру зависимости статического момента от скорости двигателя общепромышленные механизмы могут быть разделены на следующие группы ( [27], [36]) :

1. Механизмы,, у которых статический момент зависит от угловой скорости, например, центробежные вентиляторы, центрифуги, дымососы, центробежные насосы и т.п. Частным случаем данной группы являются механизмы, статический момент которых остается постоянным вне зависимости от скорости. К этим механизмам относятся, например, шахтные подъемники с уравновешенным канатом, механизмы подъема мостового крана, лифты, лебедки, и т.п.

2. Механизмы, статический нагрузочный момент которых не зависит от скорости. При этом статический момент может зависеть от пространственного положения механизма, текущего времени, совокупности данных параметров, либо вообще имеет случайный характер.

Основным отличием механизмов первой группы является возможность эффективного использования для управления их электроприводами статических законов управления. Подобные законы не требуют наличия в системе управления сложных регуляторов и легко реализуются на микропроцессорной элементной базе. Вследствие этого в данной работе будут рассматриваться электроприводы для таких механизмов .

Основные способы регулирования АД показаны в работах А.Т. Голована, А. А. Булгакова, Ю. А. Сабинина, Т. А. Глазенко, М. Г. Чиликина, А. С. Сандлера, Р. С. Сарба-това, О. В. Слежановского, Л. П. Петрова, М. М„ Соколова, И. Я. Браславского, В. Л. Грузова, В. А. Лабунцова, Г. В. Грабовецкого, Б. И. Фираго, Н. Ф. Ильинского,

В.И. Ключева и др. Эти способы реализуются изменением амплитуды и частоты напряжения, подводимого к статору асинхронного двигателя, а также сопротивлений цепей ротора (для двигателей с фазным ротором) и статора [12], [13]» [13], [14], [27], [36] . При использовании нерегулируемого асинхронного электропривода находят применение механические способы регулирования скорости. Отметим основные отличия известных способов регулирования скорости асинхронных двигателей:

1. Механическое регулирование производительности нагрузочного механизма. Данное регулирование осуществляется с помощью ступенчатого или плавного изменения передаточного отношения редуктора либо различных тормозных или ограничительных приспособлений. Это приводит к введению в кинематическую схему привода коробок передач, вариаторов, что усложняет кинематическую схему промышленной установки, увеличивает габариты, вес, стоимость, потери энергии, снижает плавность изменения скорости, а в конечном итоге и производительность технологического оборудования, что часто неблагоприятно влияет на технологический процесс. Усложнение механической части приводит к кинематическим погрешностям и потерям энергии [12], [56], [64], [65], [66] .

2. Регулирование скорости изменением числа пар полюсов. Этот способ является ступенчатым, поскольку число полюсов может быть только целым числом, и имеет ограниченное применение. При этом необходимо иметь двигатель специальной конструкции, имеющий большие габариты, вес и стоимость, чем у обычного двигателя той же мощности.

3 о Реостатные способы регулирования скорости, основанные на включении добавочных сопротивлений в цепь ротора асинхронного двигателя с фазным ротором или статора. Их недостатком является увеличение потерь, усложнение конструкции двигателя, снижение плавности регулирования .

4. Регулирование скорости изменением напряжения статора при постоянной его частоте с использованием тиристор-ных регуляторов напряжения статора. При этом на низких скоростях ротора резко уменьшается жесткость механической характеристики, что приводит к уменьшению перегрузочной способности электропривода. Кроме того, в связи с увеличением скольжения резко возрастают потери в роторе. Наконец, тиристорные регуляторы напряжения неблагоприятно влияют на форму напряжения питающей сети, что также накладывает ограничение на их использование.

5. Регулирование скорости изменением частоты и амплитуды напряжения статора. Данный способ регулирования обеспечивает работу асинхронного электропривода во всем диапазоне скоростей с номинальным нагрузочным моментом и оптимальными энергетическими характеристиками.

Последний способ - частотное регулирование - позволяет радикально улучшить параметры электропривода с асинхронным двигателем. Однако, несмотря на то, что перспективность асинхронных электроприводов с частотным регулированием и полупроводниковыми преобразователями частоты очевидна, их практическое применение сдерживалось из-за недостаточной проработки методов управления, учитывающих специфические свойства преобразователей, элементов микропроцессорной техники и асинхронных дви-

гателей.

В последние годы вследствие развития микроэлектроники и теории автоматического управления, освоения промышленностью и существенного удешевления новой цифровой и полупроводниковой силовои элементной базы, такой как силовые транзисторные модули, а также применения новых подходов к построению систем управления, появились реальные возможности для решения данной задачи.

В значительной степени это относится к применению подобных устройств для привода общепромышленных механизмов. Здесь потребителя, как правило, мало интересуют динамические характеристики электропривода. В то же время для подобных устройств важна возможность работы в статических режимах с оптимальными энергетическими характеристиками, простота, надежность и дешевизна как двигателя, так и преобразователя.

В связи с этим в работе предпринята попытка решения задачи формирования и реализации алгоритмов управления, обеспечивающих оптимизацию энергетических характеристик асинхронного электропривода, имеющего в своем составе полупроводниковый инвертор напряжения.

Таким образом, учитывая актуальность проблем энергосбережения, а также минимальный объем исследований в области применения энергосберегающих законов к асинхронным электроприводам с полупроводниковыми преобразователями частоты, следует считать тему данной работы актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка энергосберегающих алгоритмов и реализующей их системы управления асинхронным электроприводом с полупроводниковым инвертором напряжения для общепромышленных меха-

низмов, обеспечивающей ему оптимальные энергетические характеристики в статическом режиме.

В соответствии с данной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:

- разработка алгоритмов управления, обеспечивающих оптимизацию энергетических параметров асинхронного двигателя и исследование их влияния на его механические характеристики ;

- разработка математической модели системы "Полупроводниковый инвертор напряжения - асинхронный двигатель", учитывающей дискретные свойства силового преобразователя;

- исследование эффективности применения предложенных энергосберегающих алгоритмов управления в системе "Инвертор напряжения - асинхронный двигатель";

- разработка методики построения системы управления, реализующей энергосберегающие алгоритмы управления в асинхронном электроприводе с инвертором напряжения;

- экспериментальная проверка эффективности предложенных алгоритмов управления с использованием реального асинхронного электропривода с транзисторным инвертором напряжения .

Методы исследования. Исследования выполнены с использованием методов координатных преобразований, дифференциального исчисления, методов гармонического анализа, численного интегрирования на ЭВМ. Достоверность полученных теоретических результатов подтверждена экспериментальными исследованиями.

Научная новизна результатов работы заключается:

- в разработанной методике формирования энергосберегающих алгоритмов управления асинхронным электроприводом и полученных с его помощью алгоритмах, минимизирующих ток статора и активную составляющую потребляемой мощности;

- в математической модели трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора, предназначенной для исследования статических режимов работы с учетом влияния дискретных процессов в полупроводниковом силовом преобразователе на переменные состояния электропривода;

- в результатах анализа влияния предложенных алгоритмов управления на механические и энергетические характеристики асинхронного электропривода, имеющего в своем составе полупроводниковый инвертор напряжения.

Практическая ценность диссертационной работы заключается :

- в разработанной методике применения алгоритмов управления, оптимизирующих энергетические характеристики, в асинхронном электроприводе с полупроводниковым инвертором напряжения;

- в предложенной структуре системы управления, реализующей энергосберегающие алгоритмы управления в асинхронном электроприводе.

Автор защищает

- методику формирования энергосберегающих алгоритмов управления асинхронными электроприводами;

- разработанные и обоснованые алгоритмы управления асинхронным электроприводом, обеспечивающие оптимиза-цио его энергетических характеристик;

структурную схему системы управления, реализующую разработанные алгоритмы управления асинхронным электроприводом.

Апробация работы. Основные теоретические положения, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно - технических конференциях и семинарах:

- Научно - технический семинар "75 лет отечественной школы электропривода", Санкт-Петербург, 24 - 2 6 марта 1997 г.;

- Научно - техническая конференция "VIII Бенардосовские чтения", Иваново, 4 - б июня 1997 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 3 работы.

ФОРМИРОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ

Рассмотрим возможность разработки алгоритмов управления общепромышленным асинхронным электроприводом», обеспечивающих оптимизацию его энергетических характеристик. К данному типу устройств не предъявляются высокие требования по динамическим показателям», так как основным режимом работы для них является статический,, что и обуславливает необходимость разработки алгоритмов управле