Подход к минимизации энергопотребления асинхронного электродвигателя при изменении момента нагрузки

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Электротехника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ПОДХОД К МИНИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ МОМЕНТА НАГРУЗКИ
© Борисевич А. В. *, Омельченко Н. В. *
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,
г. Санкт-Петербург
Рассматривается задача минимизации энергопотребления асинхронного электродвигателя, работающего от частотного преобразователя в векторном режиме управления. Предложен подход к минимизации мощности потерь в обмотках двигателя, который сочетает в себе оптимизацию мощности в установившемся режиме и уменьшение пиковой мощности при ступенчатом изменении момента нагрузки на валу. Метод отличается простотой и имеет одинаковую формулировку, как для статического, так и динамического режима работы двигателя.
Ключевые слова асинхронный электродвигатель, векторное управление, мощность потерь, минимизация энергопотребления.
Введение
Оптимизация энергопотребления электропривода — перспективное направление исследований в области электротехники в рамках общего подхода к энергосбережению и эффективному использованию ресурсов.
Основной принцип векторного управления [1] состоит в раздельном независимом регулировании тока намагничивания двигателя и квадратурного тока, которому пропорционален механический момент на валу. Таким образом, квадратурный ток всегда устанавливается на минимальном уровне так, чтобы обеспечить достаточный для поддержания заданной скорости механический момент. За счет этого векторное управление обладает высокой энергетической эффективностью.
Уставка тока намагничивания является дополнительной степенью свободы в системе управления. Известно, что установившаяся мощность потерь в двигателе и его КПД является вогнутой функцией от уставки тока намагничивания [2]. Предложено большое количество различных моделей мощности потерь и стратегий выбора уставки тока намагничивания и пото-косцепления ротора [2, 3]. Однако при использовании асинхронных электродвигателей в сервоприводе, кроме установившихся режимов следует также рассматривать переходные процессы, когда электродвигатель отрабатывает сложные профили скорости или противодействует ударным нагрузкам. В подобных случаях методы минимизации потребления в установившемся
* Доцент кафедры «Автоматы», кандидат технических наук.
* Инженер кафедры «Автоматы».
режиме не дают оптимума ни по динамическим характеристикам привода, ни по энергетическим затратам.
В данной работе дается простое решение задачи минимизации энергопотребления, которое отличается непрерывностью действия, сходится к оптимальному току намагничивания в установившемся режиме и при ступенчатом изменении момента выражает компромиссный подход к задаче.
1. Предварительные сведения
1.1. Модель двигателя и векторное управление.
Рассмотрим инверсную Г-модель двигателя с ориентацией потокосцеп-ления ротора фг вдоль оси й синхронно вращающейся системы координат [1]. В пространстве состояний модель реализуется системой дифференциальных уравнений четвертого порядка:
(1)
где — токи статора во вращающейся системе dq-координат- ит — напряжения статора в системе dq-кэординат- а — скорость вращения вала двигателя-
Тв = рф4д — электромагнитный момент, развиваемый двигателем.
Векторное управление для стабилизации скорости вращения двигателя состоит их трех ПИ-регуляторов, два из которых предназначены для поддержания токов статора. Во всей статье мы будем пренебрегать динамикой регуляторов тока статора и полагая, что их быстродействие значительно выше, чем динамика потокосцепления и скорости. В таком случае, сокращенная модель двигателя может быть записана в виде:
(2)
1.2. Мощность потерь и оптимальность в установившемся режиме.
Пренебрегая динамикой регуляторов тока, входная мощность может быть представлена как сумма выходной механической мощности Pout и мощности потерь Pioss.
^losst^sdrhq) ~ (Rs + ^fi) + ^sd^R'- An — ^lossVsdi) +

(3)
Известно [1,2], что в установившемся режиме минимум мощности потерь достигается при следующем значении тока намагничивания:
т
Поскольку в установившемся режиме ?^ = ^ т. то можно вычислить
соответствующее оптимальное значение установившегося квадратурного тока?? я°р1. Легко показать, что отношение двух токов в установившемся ре-
жиме выражается:
(5)
и не зависит от момента нагрузки Тт, а является функцией сопротивлений обмоток двигателя.
2. Метод
2.1 Установившийся режим.
Рассмотрим ситуацию, когда ток намагничивания в любой момент времени пропорционален квадратурному
Подстановка (6) в (2), приравнивание производных нулю в установившемся режиме и выражение ??^ после некоторых упрощений дает:
(7)
что является оптимальным значением тока намагничивания в установившемся режиме.
Таким образом, получается простой метод минимизации энергии потерь двигателя, использующий только два параметра двигателя Як, Я8.
2.2. Случай изменения момента нагрузки.
Рассмотрим ступенчатое возмущение момента нагрузки на валу двигателя. Предположим, что перед действием возмущения величиной ДТ двигатель находился в оптимальном режиме энергопотребления с током намагничивания ??/р& lt- и потокосцеплением ротора ф°р& lt-<- = Ьм1^°р'-.
После ступенчатого изменения момента на валу Тт до нового значения Тт + ДТ регулятор скорости векторного управления увеличит уставку квадратурного тока?? ц для поддержания скорости на заданном уровне.
Рассмотрим два граничных варианта:
1. ток намагничивания не изменяется при возмущении момента,
2. ток пропорционален квадратурному согласно оптимальному закону (6), ???О = 4,(0 / у.
Для случая 1) очевидно, что ток быстро увеличится до своего установившегося значения-и при новом значении момента на валу энергопотребление не будет оптимальным.
В это же время, если рассматривать максимальное (пиковое) значение мощности потерь Р^ за время переходного процесса Т для любого метода оптимизации:
рре*к = (8) то следующая оценка имеет место:
(9)
Это утверждение основано на том, что по условию мы не изменяем ток намагничивания до действия возмущения, и в первый момент регулятор скорости устанавливает квадратурный ток для потокосцепления ф°р которое было оптимальным до момента возмущения.
Иными словами, пиковая мощность потерь минимальна для случая 1).
Для случая 2), из предыдущего параграфа следует, что ток в конечном итоге установится на своем новом оптимальном значении 1^) ^ /???р1 для нагрузки Тт + ДТ. Но при этом пиковая мощность потерь Рреак будет гораздо больше по сравнению со случаем 1), поскольку с быстрым увеличением будет наблюдается пропорциональный скачок тока
2.3. Комбинированный подход.
Основная идея предлагаемого метода — объединение подходов 1) и 2) с помощью низкочастотной фильтрации уставки тока намагничивания /?,(0 / у с помощью системы первого порядка:
(10)
где РТ1[…] - реакция системы первого порядка 1 / (тр + 1) на соответствующий сигнал.
Подобный подход позволяет уменьшить пиковую мощность потерь при ступенчатом изменении нагрузки и одновременно сходится к оптимальному значению тока намагничивания в установившемся режиме. Рис. 1 иллюстрирует предложенную стратегию управления для /?й.
р & gt- р п& quot-^
1 рвак — 1 |


Рис. 1. Мощность Р^ во время ступенчатого изменения нагрузки.
Заключение
Предложенный подход является начальным шагом к оптимизации энергопотребления асинхронного электродвигателя в динамическом режиме. В работе не рассматривалось оптимальность метода смысле энергии потерь во время переходного процесса, что, безусловно, будет предметом дальнейших исследований. Также открытым является вопрос об оптимальном выборе постоянной времени фильтра т. Однако, предложенный подход достаточно прост для реализации, а главное — один и тот же метод используется как для минимизации мощности в установившемся режиме, так и для переходных процессов после ступенчатого изменения механической нагрузки.
Список литературы:
1. Калачев Ю. Н. Векторное регулирование (заметки практика): методическое пособие. — М.: ЭФО, 2013. — 63 с.
2. Борисевич А. В. Об одном подходе к оптимизации энергопотребления частотно-управляемого асинхронного электропривода // Материалы 2-й конференции Современное машиностроение. Наука и образование. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. — С. 189−196.
3. Bazzi A.M., Krein P.T. A survey of real-time power-loss minimizers for induction motors, Electric Ship Technologies Symposium ESTS-2009. — 2009. -Р. 98−106.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой